基于FtsH的高光响应解析莱茵衣藻中的高光调控机制

Excess light triggers photoinhibition, which decreases photosynthesis performance of the plants. The green algae and vascular plants developed responses aimed at preventing or repairing high light-induced damages. A well-characterized response is the PSII repair cycle. So far, the ATP dependent zinc metalloprotease FtsH is demonstrated to play key roles in the turnover of PSII core subunit D1 protein. Our previous study indicates that high light highly induces the transcription of Chlamydomonas FtsH within 15 min, however the regulation mechanism stays unknown. This study will disclose the high light-induced FtsH transcription factors by yeast one-hybrid screening. In order to understand the working model of the obtained transcription factors, GFP will be constructed to the C terminal of the factors, and their subcellular localization is visualized by the GFP signal, in the meantime, the possible posttranslational modification of the transcription factors will be detected by immune blot. This study will also try to depict the dynamic model of the high light induced gene expression regulation within 60 min, by RNA sequencing of Chlamydomonas cells under high light stress. The proposed study will shed light on the high light-induced FtsH expression regulation network, and finally aims to dissect the signalling pathway under high light stress in Chlamydomonas.

高光下植物光抑制及光合作用的恢复需要光系统II的修复周转。藻类及植物的类囊体膜FtsH金属蛋白酶参与光系统II中心亚基D1蛋白的降解和周转过程。我们的前期研究表明莱茵衣藻类囊体膜FtsH在高光处理初期（15分钟内）转录水平迅速上升，但其受高光诱导表达的机理并不清楚。本研究将以莱茵衣藻FtsH为标志基因，利用酵母单杂交技术筛选获得高光响应的FtsH转录调控因子。并通过构建转录因子连接GFP的转化藻株，进行转录因子的亚细胞定位，同时观察是否存在转录因子的翻译后修饰，从而初步解析转录因子的作用机制，寻找衣藻高光胁迫下FtsH基因表达调控的通路。本课题还将通过转录组高通量测序刻画衣藻感受高光胁迫60分钟内基因表达调控的动力学模型，这将帮助我们最终构建莱茵衣藻高光胁迫下基因表达调控网络，进一步解析高光响应环境型信号通路。

光合作用可以将光能转化为生物赖以生存的化学能，然而过量的光能会产生光抑制，降低光合效率，并对光合系统造成不可逆的损伤。因此提高光能利用率，加快光系统II的高光下修复速率从而降低高光损伤是现阶段光合作用研究的热点之一，也是未来利用合成生物学完成碳中和最终目标的重要基础。针对绘制高光下光合生物的基因调控网络这一个目标，本项目主要从两个方面入手，获得的研究成果如下：.1.我们寻找到了调控FtsH蛋白稳态平衡的关键因子CYN28。亲免蛋白CYN28定位于叶绿体类囊体腔，具有典型的PPIase酶活性。CYN28通过与FtsH的N端结构域互作而参与到FtsH高光下的周转过程中，从而保证了光系统II的有效修复。CYN28的缺失使得FtsH在高光下积累减少，光系统II的修复受阻，从而造成了突变体高光致死的表型。此部分的研究结果使得我们对FtsH的调控机制有了更丰富的了解，是继前期FtsH转录及翻译后修饰之后的又一个重要发现。这对于未来我们利用基因工程及合成生物学优化光合作用，提高高光逆境下的光合效率和生物质产量有着重要意义。.2.我们利用短时高光处理后的RNA-seq数据锁定了8个表达量受高光瞬时调控的转录因子。其中GATAX的缺失导致突变体高光下致死以及雷帕霉素超敏感的表型。我们的实验证据表明GATAX可以与转录因子NF互作，而NF又与FKB12互作。据此，我们推断GATAX通过与TOR通路的关键蛋白互作而参与到下游多个生理过程的调控中。GATAX的缺失导致突变体产生自噬升高，核糖体基因表达下降，脂质积累等典型的TOR受阻表型，进而降低了对高光等逆境条件的抵御能力。此部分实验结果揭示了一个新的受高光诱导的转录因子的功能，并证明了TOR通路与高光响应之间的密切联系。这对于我们揭示光合调控机理，最终绘制高光响应的基因调控网络具有重要意义。