（植物学专业论文）缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油pg含量降低的机理研究.pdf

中国科学院博士论文 中文摘要 磷脂酰甘油( p g ) 是植物类囊体膜中唯一的磷脂，在它的s n 2 位上总是连 着一个棕榈酸( 1 6 ：0 ) 或反式十六碳烯酸( 1 6 ：1t r a n s ) 。由于p g 的分子结构 独特，对它的功能已有了很多研究，目前认为p g 在维持类囊体膜的结构与功能 方面具有非常重要的作用。缺磷胁迫下，蓝藻、衣藻及拟南芥、大麦等物种中均 检测到了p g 含量的下降。对这一现象的常见解释是缺磷导致了p g 生物合成受 阻，从而引起了其含量的降低。但迄今为止尚没有试验证据支持。本研究比较了 缺磷对不同叶龄的小麦与烟草叶片中p g 含量与p g 水解酶的活性的影响，同时 对缺磷叶片酶粗提液水解外源p g 后的主要产物、几种磷脂酶抑制剂对上述酶反 应的影响等进行了研究，以阐明缺磷条件下叶片中p g 含量下降的主要原因。 缺磷小麦第一叶完全展开时，p g 含量与p g 水解酶活性均与对照相似；而 第三叶完全展开时，尽管缺磷第三叶中p g 水解酶活性也与对照相似，但其p g 含量低于对照。这一结果表明，在小麦叶片完全展开之前，缺磷条件未影响叶片 中的p g 水解酶活性，第三叶中较低的p g 含量应由p g 的生物合成受阻引起。 并且，由于缺磷植株第一叶完全展开时p g 含量未受影响而第三叶中却表现出了 轻微降低，可以推测叶片萌发越晚，p g 生物合成受到的抑制就会越严重。 为了研究叶片衰老过程中p g 含量下降的原因，我们比较了6 ，1 0 ，1 4 与1 8 日龄时缺磷与对照小麦植株第一叶中p g 的相对含量与p g 水解酶活性。研究发 现：6 日龄时，刚刚完全展开的缺磷和对照小麦第一叶中无论是p g 含量还是p g 水解酶活性都较为相似；而随着叶片的逐渐衰老，缺磷植株第一叶中p g 含量大 幅度下降，同时伴随着p g 水解酶活性的急剧上升。1 8 日龄时，缺磷小麦第一叶 中的p g 含量较对照降低了6 9 1 ，其p g 水解酶活性也远高于对照，3 7 0 c 下温 育3 0 m i n 后，缺磷叶片的酶粗提液使外源p g 含量降低了7 4 1 6 ，而对照中只 降低了1 3 7 。上述结果表明，缺磷条件下，小麦叶片中p g 含量降低的程度与 p g 水解酶活性的强弱密切相关，p g 水解加剧是导致老叶中p g 含量降低的一个 重要原因。 磷脂酶是水解磷脂的主要酶类。目前在植物体中发现的磷脂酶种类主要有磷 脂酶d ( p l d ) 、磷脂酶c ( p l c ) 与磷脂酶a ( p l a ) 。通过薄层层析( t i ) ， 3 缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油含量降低的机理研究 我们发现缺磷小麦叶片的酶粗提液水解外源p g 后的主要产物是磷脂酸( p a ) 、 二脂酰甘油( d a g ) 与游离脂肪酸( f f a ) 。将，l 一丁醇加入到缺磷小麦叶片的体 外酶反应体系中后，观察到p a 、d a g 与h a 的生成量均表现出一定程度的降低。 由于咒丁醇是p a 经p l d 途径生成的抑制剂，因此，上述结果表明p l d 参与了 缺磷条件下小麦叶片中p g 的水解。硫酸新霉素是p l c 的非特异性抑制剂，低浓 度的硫酸新霉素( 1 0 毗m 和2 0 毗m ) 加入到缺磷小麦叶片的体外酶反应体系后， 三种产物的生成受到了严重抑制，表明p l c 也与缺磷叶片中p g 的降解密切相关。 为了进一步分析缺磷导致p g 含量降低的原因，我们以烟草为试验材料，检 测了缺磷胁迫对烟草嫩叶和老叶中的p g 含量、p g 水解酶活性、与p g 降解相关 的酶的种类及p l c 、p l d 口、脚与朋产j 基因在m r n a 上表达水平的的影响。 结果表明，缺磷烟草叶片中p g 含量的降低由p g 生物合成受阻与p g 降解加剧 共同导致，p l c 和p l d 活性与烟草叶片中p g 的降解有关。缺磷植株老叶中p g 水解酶活性及p l c 、p l d 口、脚基因在m r n a 水平上的表达量均高于对照，表 明在磷胁迫条件下，老叶中p g 水解酶活性可能受到转录水平上的调节， 彪 p l d 口、尼口夕转录活性的增强导致了p l c 、p l d 活性加强，从而引起p g 降解的 加剧，最终导致了p g 含量的降低。与尼六p l d 口和尼刃夕不同，缺磷胁迫对 p a t a t i n 蛋白( 表现p l a ：活性) 的编码基因例产j 在转录水平上的表达无影响， t l c 分析p g 的水解产物也未检测到溶血磷脂酰甘油( l p g ) 的生成。由此可见， p l a 活性可能与缺磷条件下p g 的降解无关。 关键词：磷脂酰甘油；磷脂酰甘油水解酶；磷脂酶c ：磷脂酶d ；磷胁迫 4 中国科学院博士论文 a b s t r a c t p h o s p h a t i d y l g l y c e r o l ( p g ) i s t h es o l e p h o s p h o l i p i de x i s t i n g i n t h y l a k o i d m e m b r a n ea n dt h y l a k o i dp gh a ss p e c i f i cs t r u c t u r e ，w i t hp a l m i t i ca c i d ( 1 6 ：0 ) o ra 3 - t r a n s - h e x a d e c e n o i c ( 1 6 ：1 f ) e s t e r i f i e da ts 2p o s i t i o no fg l y c e r 0 1 i th a sb e e n d e m o n s t r a t e db ym a n yr e s e a r c h e r st h a tp gp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ns t r u c t u r ea n d f u n c t i o no ft h y l a k o i dm e m b r a n e s s e v e r a la r t i c l e sh a v er e p o r t e dt h a tu n d e r p h o s p h a t e d e p r i v a t i o nc o n d i t i o n s ，t h el i p i dc o m p o s i t i o no ft h et h y l a k o i dm e m b r a n eo b v i o u s l y c h a n g e db yd e c r e a s i n g t h er e l a t i v e p r o p o r t i o n s o fp gr e s e a r c h e r g e n e r a l l y c o n s i d e r e dt h a tb e c a u s et h ep h o s p h o rw a sd i v e r t e df r o mp gb i o s y n t h e s i st om o r e c r i t i c a lm e t a b o l i cp r o c e s s e ss u c ha sn u c l e i ca c i db i o s y n t h e s i s ，t h eb i o s y n t h e s i so fp g w a sr e s t r i c t e da n dt h e r e f o r et h er e l a t i v ec o n t e n to fp gd e c r e a s e d h o w e v e r ，t h e r ei sn o e x p e r i m e n t a le v i d e n c et os u s t a i nt h ep o i n t ，a n dw h e t h e ro t h e rf a c t o r sm a yc o n t r i b u t e t ot h ep gl o s ss t i l lr e m a i nu n c l e a rs of a r i nt h ep r e s e n tp a p e r , w ec o m p a r e dt h e c h a n g e so ft h er e l a t i v ec o n t e n to fp ga n dt h ea c t i v i t yo fp gh y d r o l a s e si n d u c e db y p h o s p h a t ed e f i c i e n c yi nw h e a ta n dt o b a c c ol e a v e sa td i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e ， m e a n w h i l e ，t h em a i nh y d r o l y s i sp r o d u c t so fe x o g e n o u sp gd e g r a d e db yt h ec r u d e e x t r a c t so fp h o s p h a t e - d e f i c i e n tl e a v e s ，a n dt h ee f f e c t so f 甩- b u t a n o la n dn e o m y c i n s u l f a t eo nt h ei nv i t r oe n z y m er e a c t i o nw e r ea l s oa n a l y z e dt oi n v e s t i g a t et h er e a s o n s f o r t h ed e c r e a s eo fp gi nl e a v e so fw h e a ta n dt o b a c c o p l a n t sg r o w n i n p h o s p h a t e d e f i c i e n tc o n d i t i o n s w h e nt h ef i r s ta n dt h i r dl e a v e sj u s t f u l l yd e v e l o p e da td a y s6a n d1 8 ， r e s p e c t i v e l y , p h o s p h a t ed e p r i v a t i o ni n d u c e dad e c r e a s eo fp gc o n t e n ti nt h i r dl e a v e s b u ti nf i r s tl e a v e s n o t ，w h i l ep gh y d r o l a s e sa c t i v i t i e s i nt h e s et w os e t so f p h o s p h a t e - d e f i c i e n tl e a v e sw e r es i m i l a r l yl o w t h e s er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tb e f o r et h e l e a v e sf u l l yd e v e l o p e d ，p gb i o s y n t h e s i si n h i b i t i o nw a st h em a j o rf a c t o rr e s u l t i n gi n p gl o s s ，a n dt h ei n h i b i t i o nw o u l d g e tm o r es e v e r ei nt h el a t e r - f o r m e dl e a v e s b yc o m p a r i n gt h ec h a n g eo fp gc o n t e n ta n dt h ep gh y d r o l a s ea c t i v i t yo fw h e a t l e a v e sa td i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e ，w ef o u n dt h a tw h e nt h ef i r s tl e a v e sj u s tf u l l y 5 缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油含量降低曲机理研究 d e v e l o p e d ，t h er e l a t i v ea m o u n to fp gi np h o s p h a t e d e f i c i e n tl e a v e sw a s s i m i l a rt ot h a t o fc o n t r o l ，a n dt h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i rp gh y d r o l a s ea c t i v i t yw a sa l s os l i g h t h o w e v e r , w i t ht h ea d v a n c i n ga g e ，g r e a tl o s s e so fp ga c c o m p a n i e db yar a p i d l y i n c r e a s e dp gh y d r o l a s ea c t i v i t yw e r ed e t e c t e di np h o s p h a t e - d e f i c i e n tl e a v e s t h e s e r e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h ea c t i v i t yo fp gh y d r o l a s e sw a sd r a m a t i c a l l ye n h a n c e di n p h o s p h a t e d e f i c i e n tl e a v e s ，a c c e l e r a t i o no fp gd e t e r i o r a t i o nw a so n ec r u c i a lr e a s o n f o rt h ed e c r e a s eo fp gc o n t e n ti nl e a v e so fw h e a tp l a n t sg r o w ni np h o s p h a t e - d e f i c i e n t c o n d i t i o n s p h o s p h o l i p a s e sa r ek e ye n z y m e sc a t a l y z i n gl i p i dh y d r o l y s i si np l a n t s i nh i g h e r p l a n t s ，t h e ya r eg r o u p e di nf a m i l i e s ，d e s i g n a t e dp h o s p h o l i p a s eac o rd ( p 地p l c o rp l d ) ，d e p e n d i n gu p o nt h e i rs i t eo fc l e a v a g e a na r r a yo fp r o d u c t s ，b o t hp o l a ra n d n o n - p o l a r ，c a n b e p r o d u c e db y t h e i n d i v i d u a lo rc o o r d i n a t ea c t i o no ft h e s e p h o s p h o l i p a s e so np h o s p h o l i p i d s i nt h ep r e s e n ts t u d y ，t h em a i nb r e a k d o w np r o d u c t s o fp gd e g r a d e db yt h ec r u d ee n z y m ee x t r a c to fp h o s p h a t e - d e f i c i e n tl e a v e so fw h e a t p l a n t sw e r ep h o s p h a t i d i ca c i d ( p a ) ，d i a c y l g l y c e r o l ( d a g ) a n df r e ef a t t ya c i d ( f f a ) i n c l u s i o no ft h er e p o r t e di n h i b i t o r so fp ag e n e r a t i o nv i ap l d p a t h w a y , 以一b u t a n o l ，t o t h ei nv i t r oe n z y m er e a c t i o nm i x t u r ec a u s e dr e d u c t i o n so fp aa n dd a gl e v e l si nt h e e n z y m er e a c t i o nm i x t u r e ，i n d i c a t i n gap o s s i b l er o l e f o rp l da c t i v i t yi np g d e g r a d a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，n e o m y c i ns u l f a t e ，an o n s p e c i f i cp l ca c t i v i t y i n h i b i t o r , a l s oi n h i b i t e dd a ga n df f ag e n e r a t i o n t h e s er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tp l d a n dp l ca r eb o t hr e s p o n s i b l ef o rp g d e g r a d a t i o ni nt h el e a v e so fp h o s p h a t e - d e f i c i e n t w h e a t i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so f p h o s p h a t ed e f i c i e n c yo nt h er e l a t i v ec o n t e n to fp g t h e a c t i v i t yo fp gh y d r o l a s ea n dt h et r a n s c r i p t i o n a ll e v e l so fp l c 、p l d 口、p l d 夕a n d p at - 1g e n ei nt h ey o u n ga n do l dl e a v e so ft o b a c c op l a n t sg r o w ni n p h o s p h a t e - d e f i c i e n ta n dp h o s p h a t e - s u f f i c i e n tc o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e da sw e l l t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed e c r e a s eo fp gc o n t e n ti nt o b a c c ol e a v e sr e s u l t e df r o m r e d u c e dp gb i o s y n t h e s i sa n de n h a n c e dp gd e g r a d a t i o nt o g e t h e r ；p l ca n dp l d a c t i v i t i e sw e r ei n v o l v e di np gd e g r a d a t i o ni no l d e rl e a v e so ft o b a c c op l a n t sg r o w ni n 6 中国科学院博士论文 p h o s p h a t e - d e f i c i e n tc o n d i t i o n s r e m a r k a b l y ，p l c 、p l d 口、p l d t r a n s c r i p t a c c u m u l a t i o np a r a l l e l e dt h ep gh y d r o l a s ea c t i v i t yp r o f i l e ，s u g g e s t i n gt h a tt h e e n z y m a t i ca c t i v i t ym e a s u r e di np h o s p h a t e d e f i c i e n tl e a v e sm a y b er e s u l t e df r o m e x p r e s s i o no ft h e s eg e n e s t h i sa l s om e a n st h a tt h ea c t i v i t yo fp gh y d r o l a s ei s p r o b a b l ym a i n l yr e g u l a t e da tt h et r a n s c r i p t i o n a ll e v e l o nt h ec o n t r a r y ，p h o s p h a t e d e f i c i e n c yh a dn oe f f e c to nt h et r a n s c r i p t i o n a ll e v e lo fp a t - 1g e n e k e yw o r d s ：p h o s p h a t i d y l g l y c e r o l ；p h o s p h a t i d y l g l y c e r o lh y d r o l a s e ；p h o s p h o l i p a s ec ； p h o s p h o l i p a s ed ；p h o s p h a t ed e f i c i e n c y 7 中国科学院博士论文 缩写词表( a b b r e v i a t i o n s ) 缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油含量降低的机理研究 2 缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油含量降低的机理研究 第一章引言 光合作用是将光能转化成化学能，固定c 0 2 合成有机物并释放0 2 的过程， 它是地球上一切生命能量、食物和氧气的最终来源。光合作用是地球上最重要的 化学反应，对于生物的生存、演化和繁荣有着非常重要的作用。光合作用的核心 问题是，光能的高效吸收、传递和转换的机理，而这些过程无一不是在膜上进行 的，即对于真核生物和蓝细菌来说是在类囊体膜上，而对于厌氧的光合细菌是在 内膜( i n t r a c y t o p l a s m i c ) 。显然，这些膜系的特征和特性( c h a r a c t e r i s t i c s ) 对于光合 生物的光合作用的运转是非常重要的( 匡廷云等1 9 9 8 ) 。 光合作用过程中光能的吸收、传递和转化以及a t p 的合成都是在类囊体膜中 进行的。类囊体膜是基本的光合膜系统，它是由脂质双层膜和( 色素) 蛋白复合体 构成的。在高等植物中，脂是植物细胞中重要的部分。植物营养细胞中，脂可占 细胞干重的5 一1 0 ，并且这些脂几乎全部分布于膜中，称为膜脂，构成了生物 膜的脂质双层结构( o h l r o g g ea n db r o w s e ，1 9 9 5 ) 。类囊体膜是细胞中主要的质体 膜系统。高等植物1 m 2 叶片中大约含有2 5 克叶绿体脂，其中8 0 以上的脂分布 于类囊体膜中( m a r 6 c h a le la l ，1 9 9 7 ) 。由于类囊体膜是地球上分布最广的膜系统， 所以类囊体膜也是地球上脂含量最丰富的膜系统( g o u n a r i sa n db a r b e r , 1 9 8 3 ) 。关 于脂在光合作用中功能的研究很早已经引起了人们的注意( c u l l i sa n dk r u i j i f , 1 9 7 9 ；b a r b e ra n dg o u n a f i s ，1 9 8 6 ；w e b ba n dg r e e n ，1 9 9 1 ；w i l l i a m s ，1 9 9 4 ) 。然而， 到目前为止，关于光合膜脂结构与功能的关系以及膜脂与光合膜蛋白的相互作 用机理远未得到解决。这主要有以下几个原因。首先，脂与蛋白质不同，脂本身 没有催化活性，迄今为止还没有直接的方法对它们的作用作出判定。另外，类囊 体膜脂是由结构脂( b u l kl i p i do rs t r u c t u r a ll i p i d ) 和功能脂( f u n c t i o n a ll i p i d ) 组成 ( m u r a t aa n ds i e g e n t h a l e r , 1 9 9 8 ) 。结构脂组成了类囊体膜脂的主要组成部分，填 充于各种膜蛋白之间，认为它们在维持膜的骨架结构和流动性方面起着重要的作 用。而类囊体膜中其它少部分脂与膜蛋白紧紧结合在一起，这些脂中的脂肪酸饱 8 中国科学院博士论文 和程度较高，认为在维持蛋白在膜中的构象( 或定向) 中扮演重要的角色，这一部 分脂称为功能脂。在膜脂的研究中，由于实验方法和技术手段的限制，目前还无 法区别结构性脂和功能性脂，难以确定膜脂的作用是其结构效应还是功能效应所 致( m u r a t aa n ds i e g e n t h a l e r ，1 9 9 8 ) 。多年以来，人们通过各种途径如脂的提取， 脂酶处理，脂肪酸催化加氢，体外重组和免疫学方法对脂的功能进行了研究，取 得了一些好的结果。特别是近年来分子生物学技术的飞速发展，筛选出了许多脂 缺失的突变体，这就为研究脂在植物体内的功能提供了一个理想的研究系统。下 面将对高等植物中膜脂的组成和分布，膜脂的结构和合成以及类囊体膜脂在光合 作用中的功能进行综合分析和评述。 1 膜脂的组成和结构 在高等植物中，叶绿体是光合作用反应的场所。叶绿体的结构如图1 - 1 所示。 叶绿体由两层被膜包围，分别称为内被膜( i n n e rm e m b r a n e ) 和外被膜( o u t e r m e m b r a n e ) ，内部为无定型的凝胶基质( s t r o m a ) ，基质中悬浮着类囊体膜。类囊体 膜由垛叠的基粒膜区和非垛叠的间质膜区构成。光合作用的原初过程如光能的吸 收，光化学反应，电子传递和a t p 合成等都是在类囊体膜中组织高度有序的色素 蛋白复合体以及有关电子载体中完成的。类囊体膜中最主要的膜蛋白复合体有四 种：光系统i 复合体( p s ic o m p l e x ) ，光系统i i 复合体( p s i ：c o m p l e x ) ，细胞色素 b 6 f 复合体( c y t o c h r o m eb 6 fc o m p l e x ) 和a t p 合成酶复合体( a t ps y n t h a s e c o m p l e x ) ( o o l b e c k ，1 9 9 2 ；w e b ba n dg r e e n ，1 9 9 1 ) 。除了色素蛋白复合体之外，脂类 分子是类囊体膜中的另一主要成分。类囊体膜中的膜脂为两性物质，即分子中既 含有亲水基团也含有疏水基团。连接两种基团的是甘油骨架。因此，类囊体膜脂 都是甘油的衍生物，称为甘油脂( g l y c e r o l i p i d ) 。 9 接辟胁也导娃高等吐持叶* 中磷瞻观甘仙夸t 件俄曲机m 矸竞 o u t e r ，。 ”“”譬、瓤蕊芝 一一。 图卜1 高等植物叶绿体的结构 夕 f i g - 1 1 t h es “u c m m o f c h l o m d a s t i nh i g l 舱r p l a u s 类囊体膜在膜脂的种类和组成上具有鲜明的特点。植物细胞内其他的膜系统 如内质网膜、质膜和线粒体膜中，磷脂是主要的组成成分，而组成类囊体膜的脂 主要是糖腊( g l y c o l i p i d ) 。高等植物类囊体膜含有3 种糖脂：单半乳糖甘油二酯 ( o n o g a l a t o s y ld i a c y l g l y c e r o l ，m g d g ) 、双半乳糖甘油二酯( d i g a l a c t o s y l d i a c y t g l y e e m l ，d g d g ) 和硫代异鼠李糖甘油二酯( s u l f o q u i n o v o s y ld i a c y l g l y c e r o l ， s q d g ) 。另外，类囊体膜还含有一种磷脂磷脂酰甘油( p h o s p h a t i d y l g l y c e r o l ，p g ) ， 这些脂的结构如图卜2 所示。在类囊体膜的四种甘油脂中m g d g 和d g d g 含量分 别占5 0 和3 0 ，s q x ；和p g 各占5 - 1 2 ( m u r a t aa n ds i e g e n t h a l e r ，1 9 9 8 ) 。叶 绿体内被膜含有与类囊体膜相同的4 种甘油脂并且相对含量也与其类似。然而在 叶绿体外被膜上脂的含量与类囊体膜不同。外被膜中除了含有半乳糖脂和p g 外还台有磷脂酰胆碱( p h s p h a t i d y l c h o l i n e ，p c ) 和和磷脂酰肌醇 ( p h o s p h a t i d y l l n o s t i o l ，躅。在低等植物和真核藻类的类囊体膜中，除了含有上述 4 种甘油脂外，还含有甜菜碱脂( b e t a i nl i p i d ) 如三甲基高丝氨酸甘油二酯 ( d i a c y l g l y c e 叫t r i m e t h y l h o m o s e r i n e ，d g t s ) 和三甲基b 丙氨酸甘油二酯 ( d l a c y l g l y e e r y l t r i m e t h y l b a l a n l n e 。d g t a ) ( d e m b i t s t - y , 1 9 9 6 ) 。原核生物蓝藻类囊 体膜中脂的组成与高等植物类囊体膜类似，也含有四种甘油腊其中m g d g 含量 为总脂的5 0 而其他3 种脂各占5 2 0 不等。另外，蓝藻中还含有少量的单 中国科学院博士论文 葡萄糖甘油二酯( m o n o g l u c o s y l d i a c y l g l y c e r o l ，g l c d g ) ( w a d aa n dm u r a t a ，1 9 9 8 ) 。 h o h m o n o g a l a c t o s y l d i a c y l g l y c e r o l ( m g d g ) o h o h d i a g a l a c t o s y l d i a c y l g l y c e r o l ( d g d g ) 年c i 嚣 r h 2 c - - o - - p l - - o c h 2 p h o s p h a t i d y l g l y c e r o l ( p g ) o h s u l f o q u i n o v o s y l d i a c y l g l y c e r o l ( s q d g ) 图卜2 类囊体膜中主要极性甘油脂的结构 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo ft h em a j o rp o l a rg l y c e r o l i p i di nt h l a k o i dm e m b r a n e 如上所述，构成类囊体膜的甘油脂主要有四种：m g d g ，d g d g ，s q d g 和p g 。 其中m g d g 和d g d g 是不带电荷的中性脂，而s q d g 和p g 在生理条件下为阴离子脂。 其中不带电荷的半乳糖脂为主要成分，含量达类囊体膜脂总量的8 0 ，而两种 阴离子脂一s q d g 和p g 的总含量为2 5 左右。对类囊体膜中是否含有p c 一直是人 们争论的话题。s i e g e n t h a l e r 等人( 1 9 8 9 ) 在类囊体膜的持续纯化过程中发现类囊 体膜中p c p g 比例保持不变，认为p c 存在于类囊体膜中。而d o m e 等人( 1 9 9 0 ) 发现从磷脂酶( p h o s p h o l i p a s ec ，p l c ) 处理过的菠菜叶绿体中提取的类囊体中不 包含p c ，而从未用p l c 处理的叶绿体中提取的类囊体中含有p c ，认为类囊体膜 r oco h ciici 叱 cor roc o h cilci 2 一 也 cor 缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油含量降低的机理研究 中p c 的存在是由于提取过程中叶绿体被膜污染造成的，而类囊体膜中是不含有 p c 的。考虑到叶绿体起源的内共生假说，叶绿体的祖先一蓝藻中也不含有p c ，所 以现在人们一般认为类囊体膜中是不含有p c 的。 甘油脂分子是甘油的衍生物。在这些甘油的衍生物中，甘油的两个羟基( 聍1 和盯2 ) 与两个脂肪酸结合，形成了甘油脂分子的疏水基团；甘油泞3 位的羟 基通过形成糖苷键或磷酸酯键与亲水的极性头部相连接。高等植物类囊体膜中主 要含有5 种脂肪酸分子，它们是棕榈酸( p a l m i t i ca c i d ，1 6 ：0 ) ，油酸( o l e i c a c i d ，1 8 ：1 ) ，亚油酸( 1 i n o l e i ca c i d ，1 8 ：2 ) ，亚麻酸( 1 i n o l e n i ca c i d ，1 8 ：3 ) 和十六碳三 烯酸( h e x a d e c a t r i e n o i ca c i d ，1 6 ：3 ( 仅存在于某些植物中) ( o h l r o g g ea n db r o w s e 。 1 9 9 5 ) 。m g d g 中富含1 8 ：3 ，而d g d g ，s q d g 和p g 中富含1 8 ：3 和1 6 ：0 。另外，类 囊体膜中的p g 分子中含有反式十六碳烯酸( 3 t r a n s h e x a d e c e n o i c ，1 6 ：l t r a n s ) 。 在某些植物的m g d g 中含有相当量的1 6 ：3 。在海藻中，除了含有上述常见的脂肪 酸外，还含有长链多不饱和脂肪酸如二十碳五烯酸( e i c o s a p e n t a e n o i ca c i d ，e p a ) 和二十碳六烯酸( d o c o s a h e x e n o i ca c i d ，d h a ) ( h a r w o o d ，1 9 9 8 ) 等。而蓝藻中脂肪 酸的组成随物种不同有很大的变化。某些蓝藻的脂肪酸含有四个双键，而另一些 物种中含有单不饱和脂肪酸( w a d aa n dm u r a t a ，1 9 9 8 ) 。这些特殊的脂肪酸可能与 海藻和蓝藻生境的多样性有关。 2 膜脂的功能 叶绿体膜脂中含有大量的不饱和脂肪酸。在一些植物中，1 8 ：3 和1 6 ：3 的 含量占总脂肪酸的8 0 。另外，类囊体膜中4 种甘油脂分子可以形成大约4 0 种 不同的脂类分子。这种脂类分子形式的多样性和脂肪酸不同程度的不饱和程度以 及类囊体膜中含量丰富的糖脂分子使得人们在过去2 0 年中对膜脂在高等植物特 别是在类囊体膜中的功能研究产生了浓厚的兴趣。同类囊体膜脂分布相同，类囊 体膜中色素蛋白复合体的分布也具有侧向不均一性( d u c h 谷n ea n d s i e g e n t h a l e r , 2 0 0 0 ) ，这种分布涉及到两个光系统之间电子的传递和能量分配的问 题。质体醌是联系p s i i 和c y t b 。f 之间的可运动的电子载体。另外，p s i i 和p s i 之间的量子分配需要l h c 在类囊体膜的垛叠区和非垛叠区之间的运动来调节。以 上的这些过程都与类囊体膜的流动性有关，而这种流动性主要是由类囊体膜脂来 1 2 中国科学院博士论文 调节的( q u i n na n dw i l l i a m a s ，1 9 8 3 ；w e b ba n dg r e e n ，1 9 9 1 ；s i e g e n t h a l e ra n dt r 6 m o l i 色r e s ，1 9 9 8 ) 。近年来，类囊体膜脂同光合膜蛋白相互作用的机理研究也逐渐 成为了人们关注的焦点问题。 脂分子的形状是由极性头部的大小和脂肪酸链的空间结构决定的( w e b ba n d g r e e n ，1 9 9 1 ) 。如p c 分子，极性头部体积较小，而脂肪酸饱和程度较大，整个分 子从纵切面上来看，头部宽度与尾部宽度大体相当，因此p c 分子在形状上呈圆 筒型，称为圆筒型脂( c y l i n d r i c a ll i p i d ) 。其他的脂如d g d g ，s q d g ，p g 在形状上均 为圆筒型脂。而m g d g 分子的极性头部仅含有一个半乳糖分子，而含有的脂肪酸 中富含不饱和脂肪酸，所占的空间体积较大，因此，m g d g 分子在纵切面上，极 性头部较窄，而脂肪酸尾部较宽，分子形状呈锥形，称为锥形脂( c x ) n es h a p el i p i d ) 。 锥形脂分子在体外的最低能量聚集形式为极性头部向内，脂肪酸链向外形成所谓 的六角型结构( h e x a g o n a lh s t r u c t u r e ) 。一些研究表明，具有非双层结构特性的 m g d g 对类囊体膜独特的结构起着重要的作用( s i m i d j i e v e ta l ，2 0 0 0 ；l e e ，2 0 0 0 ) 。 2 1 膜脂与类囊体膜中色素蛋白复合体的相互作用 类囊体膜中脂同蛋白的互做研究是从光合膜中色素蛋白复合体的生化分析 开始的，即通过各种光合膜蛋白复合物的提取，进而分析其中所含脂的种类和含 量，以解释这些脂在其中的作用。人们发现类囊体膜中4 种主要的色素蛋白复合 物中都有脂的存在。m u r a t a 等( 1 9 9 0 ) 使用t r i t o nx 1 0 0 作为去垢剂分离了菠菜 p s i i 复合物( p s i ic o m p l e x ) 、p s i i 核心复合物( p s i ic o r ec o m p l e x ) 以及p s i i 反应 中心复合物( p s i ir e a c t i o nc e n t e rc o m p l e x ) ，发现三种复合物种脂的分布有异质 性。s q d g 仅存在于p s i i 复合物中，并不存在于p s i i 核心复合物和p s i i 反应中心 复合物中；p s i i 反应中心复合物中仅存在m g d g ，而p s i i 复合物中含有类囊体膜 中的所有4 种脂。l h c i i 是p s i i 的捕光天线，主要分布于类囊体膜的垛叠区。 在类囊体膜中，功能性的l h c i i 是以三聚体形式存在的。在l h c i i 聚集化的过 程中，m g d g ，d g d g 和p g 参与了这个过程。s i n i d j i e v 等人( 2 0 0 0 ) 发现，当把m g d g 与提纯的l h c i i 以一定比例混合时，m g d g 形成了双层脂相，而不再形成六角型 相。n u b b e r g e r 等人( 1 9 9 3 ) 发现，豌豆l h c i i 晶体中含有d g d g 和p g ，其中p g 直 接参与了l h c i i 三聚体的形成。m a a n n i 等人( 1 9 9 8 ) 在p g 缺失的莱茵衣藻突变体 中发现l h c i i 不能形成三聚体结构，并且类囊体膜不能形成垛叠结构。l e e ( 2 0 0 0 ) 缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油含量降低的机理研究 总结了前人的文献，认为m g d g ，d g d g 和p g 在l h c i i 聚集过程中有不同的作用。 p g 结合于l h c i i 蛋白的表面，直接参与了三聚体的形成，并起着稳固三聚体的 作用；而d g d g 结合在三聚体的外围，使三聚体形成二维晶体状片层：最后，m g d g 推动了片层结构的垛叠形成了类囊体膜基粒。 对p s i 复合物中脂的研究较少。m a k e w i c z 等人( 1 9 9 5 ) 发现烟草的p s i 复合 物中含有m g d g 和p g 并且p g 与p s i 的结合更加紧密。最近，人们已经解析了蓝 藻p s i2 5 a 分辨率的晶体结构，发现p s i 中结合着1 分子m g d g 和3 分子p g