豌豆光系统I的捕光天线复合体光保护机制的研究

Photosynthetic organisms, which transfer sunlight into chemical energy, are crucial for life on Earth as they provide food and oxygen and are at the basis of most energy resources. The amount of sunlight reaching the surface of Earth varies substantially, and photosynthetic organisms have strategies that allow them to adapt to different light quantity. Under high light, plants have photoprotection mechanisms to dissipate a large part of the harvested light energy as heat to avoid overexcitation of the photosynthetic machinery. The xanthophyll cycle, that is the interconversion between violaxanthin and zeaxanthin under high and low light, is one of important photoprotection mechanisms. Although it has been proved that the xanthophyll cycle can be happened in light harvesting complex II, there is still disagreement on light harvesting complex I. Our PSI-LHCI crystal structure revealed that LHCI binds 4 violaxanthin molecules, which is the prerequisite for the xanthophyll cycle. In this project, isolated PSI-LHCI from high light treated pea will be investigated by HPLC to elucidate whether the xanthophyll violaxanthin converts into zeaxanthin in LHCI. Since the xanthophyll cycle may be induced by the conformational changes of the proteins, which relies on high light-induced low lumenal pH, we plan to elucidate the relationship between low pH and the conformational changes of proteins by analyzing the crystal structure of DCCD-PSI-LHCI. This project will reveal whether the xanthophyll cycle happens in LHCI to protect from high light and its structural basis, and will elucidate the photoprotection mechanism within LHCI, and even PSI-LHCI.

光合作用需要光，但是过量的光能会导致光合作用装置的氧化性破坏，而植物需要也具备将过量光能耗散掉的光保护机制。叶黄素循环，即强弱光下紫黄质和玉米黄质之间的相互转换，是植物重要的光保护机制之一。光合膜上的主要捕光天线复合体（LHCII）可以发生叶黄素循环，但是光系统I的捕光天线复合体（LHCI）是否能够发生叶黄素循环还存在很大争议。我们PSI-LHCI的晶体结构首次确认了LHCI结合4个紫黄质，具备叶黄素发生的色素基础。本项目拟以豌豆为研究材料，以PSI-LHCI为研究对象，研究过剩光强下LHCI是否发生叶黄素循环；由于强光诱导质子化、质子化诱导LHCI结构调整，结构调整可能诱导叶黄素循环，拟采用结晶学技术解析DCCD-PSI-LHCI的结构，阐明LHCI是否发生叶黄素循环的结构原因。本项目将阐明LHCI是否存在叶黄素循环的光保护机制及其结构基础，也有助于阐明PSI-LHCI的光保护机理。

光合作用捕光天线复合物具有捕光与强光下耗散能量（光保护）的双重作用。光系统I（PSI）是高效的光能转换元件，它依靠捕光天线复合物I（LHCI）捕获光子并高效地传递激发能至反应中心P700以发生原初反应，不同物种之间PSI核心复合物的结构相对保守，而组成LHCI的Lhca天线蛋白的结构、聚集方式存在较大差别。基于PSI-LHCI的结构阐明LHCI吸能、传能、耗散能（光保护作用的机制）的特征与机理，对于揭示光合机理具有重大的理论意义。.本项目系统开展了高等植物豌豆（Pisum sativum）、红藻（Cyanidioschyzon merolae）、绿藻（Bryopsis corticulans）、小立碗藓（Physcomitrella patens）PSI-LHCI复合物结构与功能的研究，分别获得了2.4 Å分辨率的Ps PSI-LHCI晶体结构，3.6 Å分辨率的Cm PSI-LHCI电镜结构，3.5Å 分辨率的Bc PSI-LHCI电镜结构，3.2 Å分辨率的小立碗藓Pp PSI-LHCI电镜结构。主要发现与意义：（1）在过剩光强下部分Lhca会发生叶黄素循环，Ps PSI-LHCI结构揭示了处于一种新状态下的PSI-LHCI，展现了PSI-LHCI结构的灵活性，推测这种灵活性可能与LHCI的光保护机制有关。（2）解析了4种高等植物Lhca、3种红藻Lhcr、8种绿藻Lhca、4种小立碗藓Lhca天线蛋白结构，对比与分析这19种Lhca天线结构揭示了植物进化过程中捕光天线蛋白结构变化的规律及其与环境适应性的关系。（3）推测从红藻、绿藻、藓到高等植物，各自PSI复合物中捕光天线传递激发能的速率是逐渐降低的。这可能与植物登陆以后要应对高光强进行非光化学淬灭、迫使植物在能量传递速率上付出代价有关。.“破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能”入选“2019年度中国科学十大进展”，绿藻BcPSI-LHCI结构解析是该成果的重要组成部分。对捕光机制的阐明、理解及将来的应用，将有利于我们根据实际需要设计耐受高光强即耐受低光照的植物种类，为提高植物对光能的利用效率、提高作物产量、人工模拟光合作用提供新思路和理论指导。本项目为后续继续深入研究PSI结构与吸能、传能、转能、耗散能的分子机理提供了坚实的基础和进一步创新源泉。