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《中国科学院研究生院(植物研究所)》 2004年
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高温和光照对光系统Ⅰ结构与功能的影响

胡朝辉  
【摘要】:光合膜上包含有捕光并将光能转化为化学能所必需的四类跨膜蛋 白复合体,即PSII、PSI、Cytb6f和ATP合成酶,其中PSI利用吸收的 光能诱导电子从膜内侧的PC传递至相对一侧的铁氧还蛋白,被还原的 铁氧还蛋白在FNR(Fd-NADP+氧化还原酶)的作用下生成NADPH, 因此关于PSI的研究是光合作用研究领域中的重大问题。为了进一步 阐明PSI的结构和功能,本论文分别研究了热对PSI的影响和光诱导 的PSI核心复合物(CPI)的积累过程: 1. 以菠菜PSI颗粒为材料研究 了热处理对PSI复合物的降解和失活作用; 2. 以衣藻叶绿素暗合成突 变体y-1为材料研究了类囊体膜形成过程(即光诱导的转绿过程)中 PSI中CPI的变化。另外,由于膜脂在光合作用中具有重要的功能,本 论文还研究了y-1突变体转绿过程中光合膜脂、脂肪酸的变化。 一.应用光谱学、氧电极和变性电泳等技术研究了高温(25℃~80℃)对PSI 结构和功能的影响,主要结果如下: 1. 在热处理过程中,683nm组分(主要归属于LHCI)的吸收峰强度 有显著的下降并发生峰位蓝移现象,显示该组分对热处理最敏感, 首先遭到破坏。 2. 77K荧光显示随着处理温度的升高,728 nm处的峰强和峰位均发 生了明显的变化,F728-F720和F680的比率升高,说明热处理抑 制了LHCI 680向LHCI 730以及反应中心的能量传递。 3. SDS-PAGE显示PSI核心蛋白PsaA/B亚基以及LHCI亚基在热处 理情况下发生了不同程度的降解和聚合。为了能够显著地观察到 热处理对PSI多肽降解的影响,实验采用了更高的温度处理方法, 结果显示,90℃、100℃时PsaA/B亚基完全降解,而LHCI亚基 仍有少量存在,说明PSI核心蛋白PsaA/B比LHCI亚基具有更高 的热敏感性。 4. 推测热处理情况下可能发生的机制是,捕光天线首先从PSI反应 中心分离,随后发生了反应中心光化学反应的抑制,直至最后多 肽的严重降解。 中文摘要 5.利用红外光谱技术(FT一IR)对PSI蛋白二级结构的研究显示,PSI 颗粒在60OC以上时发生了明显的蛋白构象变化,且随着温度的升 高蛋白构象的变化越来越大,表明PSI蛋白具有较高的热稳定性 和热变性温度,Psl蛋白酞胺I带(1700一1600 cm一’)二级结构的解 析表明热处理过程中二级结构的主要变化是。一helical的下降和 p一sheet的增加。 6.利用CD光谱技术研究了热处理对Psl色素微环境的影响,结果表 明热处理破坏了PSI色素蛋白复合物中色素的蛋白微环境,归属 于LHCI的Chlb(645 nm处组分)在较低的温度处理条件下 (25一60oC)蛋白微环境即发生破坏;随着处理温度的升高(70和80 OC),478 nm处(主要归属于LHCI的Chlb)和498 nm(归属于 类胡萝卜素)处的CD信号强度快速下降,说明在高温条件下LHCI 比核心复合物更敏感。 7.研究发现,PSI的摄氧活性随着处理温度的升高而显著下降,70oC 时几乎完全失去摄氧能力,表明70oC时PSI复合物受到了严重的 破坏,这可能是由于热处理过程中色素的蛋白微环境以及蛋白结 构尤其是PSI核心蛋白PSaA/B中跨膜a一helix的构象发生了严重 的变化。 二.主要运用温和电泳和蛋白印迹技术检测了暗培养4天(脱绿)的y一1 突变体在光照诱发的转绿过程中PSI的核心色素蛋白复合物(CPI)及 其叶绿素脱辅基蛋白PSaA/B的变化。 1.暗培养4天的衣藻脱绿细胞中,PS工的主要色素蛋白复合物 一CPI完全缺失,然而核心多肤PSaA/B仍有一定量的积累, 同时检测不到P70O的含量。 2.当脱绿的y一1细胞转移至光照下时,伴随着叶绿素的合成, 色素蛋白复合物CPI和PSaA/B脱辅基蛋白的合成也逐渐达到 正常水平,说明叶绿素和PsaA/B蛋白进行组装并形成了具有 功能的PS工反应中心,P7OO含量也得到了恢复。 3.实验证明了光照是形成光合系统色素蛋白复合物的重要前 提。同时发现,叶绿体基因编码的PSI核心多肤PSaA/B能 中文摘要 够在暗条件下合成。而根据资料(Berends et al.,1987)报道, 在豌豆、大麦的黄化体中不能合成PSaA/B蛋白,这可能是 由于在脱绿的y一1细胞中叶绿体仍然具有相对完整的大小 和形状,而在叶绿体的被膜上定位着多种与光合作用相关的 酶系统。 三.利用薄层层析及气相色谱分析技术对转绿期间y一1突变体光合膜 脂和脂肪酸组成的含量变化进行了分析。结果表明: 1.光照能够促进各种脂的积累并影响脂的组成,同时有利于脂 肪酸脱饱和酶的激活。MGDG中脂肪酸不饱和程度明显升 高,表现为16:O及18:1的下降,以及16:4,18:2和18:3 (9,12,15)等的升高,说明光照促进了MGDG sn一2位的 16:O脱饱和为16:4以及:n一1位的18:1脱饱和为18:3,也 说明MGDG是脂肪酸脱饱和的重要底物。 2.己有的资料(Ohnishi和Yamada,1980;1983)指出PG及 其 sn一2位的16:1(3t)的合成是光依赖的,而本实验中, 在衣藻的黄化细胞中含有相当量的PG及其特有的16:1(3t) (22.80%),且转绿过程中变化并不十分显著。这可能是由于 黄化的y一1细胞中叶绿体的形状并没有发生很大变化,说明 叶绿体被膜上的相应酶系统才是PG合成的必需因素。 3.相比于脱绿的y一1细胞,光照12小时后,各种脂中18:2 的百分含量有显著的增
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(植物研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:Q945.11

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