中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)PNAS解析植物重要光系統(tǒng)

日期：2013-09-18 09:20:13

來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校的研究人員證實(shí)，在擬南芥中光系統(tǒng)II ( Photosystem II，PSII)反應(yīng)中心蛋白D1的C端加工對(duì)PSII裝配及發(fā)揮功能至關(guān)重要。這一研究發(fā)現(xiàn)在線發(fā)表在9月16日的《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS)雜志上。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院的黃衛(wèi)東（Weidong Huang）教授、加州大學(xué)伯克利分校的欒升（Sheng Luan）教授及Bob B. Buchanan教授為這篇論文的共同通訊作者。黃衛(wèi)東教授的主要研究方向是葡萄逆境生理和與分子生物學(xué)、葡萄酒化學(xué)化學(xué)都市、葡萄次生代謝與調(diào)控、酵母次生代謝生理、食品產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展規(guī)劃。欒升于2000年起在加州大學(xué)伯克利分校植物學(xué)系任副教授，終身教授。主要研究方向?yàn)橹参锕夂献饔茫まD(zhuǎn)運(yùn)體及調(diào)控；植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)；植物逆境和作物基因組學(xué)等。曾獲杜邦生物技術(shù)獎(jiǎng)、NASA/DOE/NSF青年學(xué)者獎(jiǎng)。

在光合作用中，光能被蛋白結(jié)合色素吸收以及通過(guò)激子機(jī)制轉(zhuǎn)移到光合作用反應(yīng)中心，在反應(yīng)中心轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，為生物體的新陳代謝提供能量。在幾乎所有的生物中，這些過(guò)程發(fā)生在葉綠體的類囊體膜上。其中有兩個(gè)不同的光能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)：一種是以鐵硫蛋白作為穩(wěn)定電子受體稱為光系統(tǒng)I(PSI)；另一種是以酮作為穩(wěn)定電子受體稱為光系統(tǒng)II（PSII）。PSI和PSII是生物光能轉(zhuǎn)換的重要場(chǎng)所，涉及水裂解放氧反應(yīng)和原初電荷分離等關(guān)鍵步驟，是決定光合作用效率的重要部位。

PSII是由20多個(gè)蛋白亞基組成的蛋白復(fù)合體，這些蛋白由核基因和葉綠體基因共同編碼。由于PSII結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，PSII的組裝是多步驟的，并得到輔因子和調(diào)控蛋白的協(xié)助。PSII的光化學(xué)反應(yīng)中心由D1和D2蛋白構(gòu)成，它們?yōu)楦鞣N輔助因子提供結(jié)合位點(diǎn)，在維持PSII反應(yīng)中心構(gòu)象穩(wěn)定中起重要作用。

在大多數(shù)的放氧光合成生物中， D1蛋白首先被合成為帶有一個(gè)C-末端尾巴的前體(pD1)，在功能性的PSII組裝之前它必須借助于稱作為Ctp的肽鏈內(nèi)切酶切割C-末端尾巴，成為成熟的D1。正常情況下，D1蛋白的降解速度小于合成速度，一旦暴露于強(qiáng)光下或環(huán)境脅迫相偶聯(lián)時(shí)，D1蛋白的降解速度會(huì)大于合成速度，導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心的破壞。這個(gè)特性使得PSII對(duì)于強(qiáng)光特別敏感。因此，D1蛋白的降解、合成和組裝是維持PSII復(fù)合體穩(wěn)定一個(gè)非常重要的方面。

相比于藍(lán)藻，研究人員對(duì)于陸生植物中Ctp酶和D1 C末端加工的影響所知有限。以往的研究曾報(bào)告從豌豆和菠菜中純化出了CtpA樣蛋白。菠菜研究進(jìn)一步表明，大腸桿菌表達(dá)的重組Ctp蛋白顯示出針對(duì)pD1的活性。但由于遺傳學(xué)方法匱乏，對(duì)于在這些及其他陸生植物中Ctp酶和D1 C末端加工的功能影響仍知之甚少。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員利用遺傳學(xué)方法在擬南芥中鑒別出了一個(gè)編碼CtpA酶的基因At4g17740，并證實(shí)它是PSII功能和葉綠體發(fā)育的必要條件。他們發(fā)現(xiàn)，擬南芥CtpA對(duì)于功能性PSII核心復(fù)合體、二聚體及PSII超復(fù)合體的組裝均至關(guān)重要。此外，他們還證實(shí)了該酶還對(duì)于光抑制過(guò)程中PSII的損傷-修復(fù)循環(huán)起重要作用。

由于新研究揭示了陸生植物中D1成熟與PSII超復(fù)合體組裝之間存在的一個(gè)意外關(guān)聯(lián)，從而為探索陸生植物中PSII形成的最后步驟：獲光復(fù)合物和PSII核心復(fù)合物的結(jié)合機(jī)制提供了一條途徑。