（植物学专业论文）盐胁迫对螺旋藻光合作用影响的研究.pdf

摘要 摘要 盐胁迫是限制高等植物和藻类生长和产量的主要环境因子之一。p s i i 对环 境胁迫的响应被认为是光合作用适应逆境过程中最重要的一个环节。尽管盐胁 迫对p s i i 的影响已进行了大量的研究，但有关盐胁迫对p s i i 作用方式和位点的 研究仍存在着争议。我们主要研究了盐胁迫对螺旋藻p s i i 结构和功能的影响， 以探讨盐胁迫对p s i i 的作用方式和位点以及该藻细胞p s i i 对盐胁迫的适应机 理。主要研究结果如下： 1 用0 、0 2 、0 4 、0 6 、0 8 m n a c l 处理螺旋藻细胞1 2 小时。随盐浓度的增加， 螺旋藻细胞的c h l a 、c a r o t e n o i d 、p c 、a p c 及蛋白含量均呈下降趋势，说明 盐胁迫抑制了上述色素及蛋白的合成或加速了它们的降解，从而影响了螺旋 藻的光合作用。 2 随盐浓度的增加，螺旋藻细胞光合放氧活性和p si i 电子传递活性显著降低， 表明盐胁迫引起藻细胞p si i 活性的下降。 3 通过放氧活性、热致发光( t l ) 、多相荧光瞬态上升动力学曲线的测定以及 w e s t e r n 杂交，来探讨盐胁迫对螺旋藻细胞p sii 供体侧电子传递及o e c 3 3 蛋白含量的影响。结果显示：随盐浓度的增加，螺旋藻细胞光合放氧活性和 p si i 电子传递活性下降；t lb b a n d 和q b a n d 强度降低，在0 - 0 6 mn a c l 下，b b a n d 的周期性振荡清楚，最大值出现在第二次和第六次闪光，而在0 8 m n a c i 时，s 态振荡基本上消失，s 态氧化还原循环受阻；f m ，j 、i 和p 相 荧光水平降低。以上结果都表明盐胁迫使p si i 的放氧侧受损伤。且随盐浓 度的增加，盐分引起螺旋藻细胞外周蛋白o e c 3 3 的降解，在蓝藻中首次提 出放氧机构的s 态循环受阻，放氧活性降低。 4 通过o j i p 曲线的测定以及j i p t e s t 、闪光诱导的可变荧光衰减动力学、热致 发光( t l ) 的分析，我们研究了盐胁迫对螺旋藻细胞p si i 受体侧的影响。 结果显示：j i p t e s t 的参数甲。和叩e o 随盐浓度的增加而下降，显示q a 到q b 电 子传递受阻：可变荧光衰减动力学快相组分半衰期延长，所占总可变荧光百 分比下降，表明q a 到q b 电子转移变慢，中相组分半衰期延长、所占百分 比下降，说明空的q b 位点对p q 的结合减慢，有可能p q 分子对q b 位点的 结合能力下降；t lb b a n d 和q - b a n d 的峰温度出现了位移，可能q a ，q b 的氧 化还原电势发生了改变。以上结果表明，盐胁迫伤害了p s i i 受体侧的电子 盐胁迫对螺旋藻光合作用影响的研究 传递。 5 首次运用闪光诱导下的叶绿素荧光上升及其衰减动力学来研究盐胁迫对p s i i 受体侧的影响。 6 盐胁迫下，p si i 供体侧和受体侧电子传递受抑制，有活性的p s i i 反应中心 数量下降，说明盐胁迫对螺旋藻细胞p s i i 的伤害也可能是多位点的作用方 式。此外，盐胁迫下，藻细胞放氧活性的下降快于受体侧q a 到q b 电子传 递所占百分比的下降，有可能p si i 放氧侧先受损伤，然后是反应中心和受 体侧。上述结果表明盐胁迫下p s i i 活性的降低是由于p s i i 供体侧和受体侧 电子传递的抑制，有活性的p s i i 反应中心的减少。 7 借助螺旋藻类囊体膜的w e s t e r n 杂交分析，来研究盐胁迫对螺旋藻类囊体膜 p s i i 相关蛋白的影响。结果表明，上述p s i i 活性的抑制是由于类囊体膜蛋 白的损失。主要与p s i i 反应中心c p 4 3 、c p 4 7 和o e c 3 3 蛋白含量的下降有 关。 8 p si i 机构对盐胁迫的适应涉及以下几个方面：降低吸收横截面，( p c c h l a ， a p c c h l a 比值的降低) ；光系统i i 光化学反应的改变，通过关闭的p si i 反应中心比例的增加，使得p si i 机构免于过多激发能的伤害而得以保护； 提高了剩余的有活性反应中心的耗能效率( d i o 瓜c 增加) ；保持有活性反应 中心高的激发能转化效率，比如，t r o r c 保持不变；另外，随盐浓度的增 加，由藻胆体向光系统i 的能量传递增加，避免过量激发能对p s i i 的伤害， 使螺旋藻细胞适应盐胁迫环境。 关键词：p s i i ；t l ；s 态；w e s t e r n 杂交；盐胁迫；光合作用；螺旋藻；叶绿 素荧光；可变荧光衰减； a b s t r a c t 皇曼詈! 皇詈! 曼! 詈暑鼍曼鼍! i i i i n 一 。 i l ! ! 曼! 詈詈皇詈穹! 鼍曼鼍詈詈寰 s t u d i e so ne f f e c t so fs a l ts t r e s so nt h ep h o t o s y n t h e s i s o f s p i r u l i n ap l a t e n s i s g o n gh o n g m e i d e r e c t e db yp r o f l uc o n g m i n g a b s t r a c t s a l ts t r e s si so n eo ft h em a i ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r st h a tl i m i tt h eg r o w t ha n d p r o d u c t i v i t yo fp l a n t sa n da l g a ls p e c i e s s i n c ep h o t o s y s t e mi i s i i ) i sb e l i e v e dt o p l a yak e yr o l ei nt h er e s p o n s eo fp h o t o s y n t h e s i st oe n v i r o n m e n t a lp e r t u r b a t i o n s ，t h e e f f e c t so fs a l i n i t ys t r e s so np s i ih a v eb e e ni n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l y h o w e v e r ，t h e a c t i o nm o d ea n dp r i m a r ys i t eo f p s i i b ys a l ts t r e s sa r ec o n f l i c t i n g t h i ss t u d y i n v e s t g a t e de f f e c t so fs a l ts t r e s so np s i is t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fs p i r u l i n ap l a t e n s i s ， i no r d e rt oe x p l o r et h ed a m a g em e c h a n i s mo fs a l i n i t ys t r e s so np s i ia n di t s a d a p t a t i o no fp s i ia p p a r a t u st os a l ts t r e s s t h ep r i m a r y r e s u l t sa r ef o l l o w i n g ： 1 s p i r u l i n ap l a t e n s i sc e l l sw e r es u s p e n d e di nf r e s hm e d i u mc o n t a i n i n gd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fn a c i ( 0 2 ，0 4 ，0 6 ，0 8m ) f o r1 2 h c h l o r o p h y l l ，c a r o t e n o i d ，p c ，a p c a n dp r o t e i nc o n t e n td e c r e s e ds i g n i f i c a n t l yw i mi n c r e a s i n gs a l tc o n c e n t r a t i o n s t h e d e c r e a s eo fb o t h p i g m e n t sa n dp r o t e i nc o n t e n t si ns p i r u l i n ap l a t e n s 括i sp r o b a b l y t h a ts a l ti n h i b i t e dt h e i rs y n t h e s i so re n h a n c e dt h e i rd e g r a d a t i o n , a n dt h u se f f e c t e d t h ep h o t o s y n t h e s i so fs p i r u l i n ap l a t e n s i s 2 o x y g e n - e v o l v i n ga c t i v i t ya n dt h ee l e c t r o nt r a n s p o r ta c t i v i t yo fp si id e c l i n e d s i g n i f i c a n t l y 、析mt h ei n c r e a s eo ft h en a c lc o n c e n t r a t i o n ，t h er e s u l t ss u g g e s tt h a t a c t i v i t yo fp si id e c l i n e db ys a l ts t r e s s 3 o x y g e ne v o l u t i o n ，t h e r m o l u m i n e s c e n c e ，p o l y p h a s i c r i s eo ff l u o r e s c e n c e t r a n s i e n t s ( o j i p ) a n dw e s t e r n - b l o t t i n gw e r em e a s u r e d ，i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t so f i i i 盐胁迫对螺旋藻光合作用影响的研究 s a l ts t r e s st ot h ed o n e rs i d eo fp si ii ns p i r u l i n ap i a t e n s i s t h er e s u l t ss h o wt h a t p h o t o s y n t h e t i co x y g e ne v o l u t i o na n d t h ee l e c t r o nt r a n s p o r ta c t i v i t yo fp si i d e c l i n e dm a r k e d l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h en a c lc o n c e n t r a t i o n t h e r ew e r ead e c r e a s e i nt h ei n t e n s i t yo ft lb - b a n da n dq b a n du n d e rs a l ts t r e s s ，a tc o n c e n t r a t i o no f0 0 6 m n a c l ，t h ei n t e n s i t yo fb - b a n do s c i l l a t e dw i t hap e r i o do ff o u r ，e x h i b i t i n gm a x i m u m i n t e n s i t yo nt h es e c o n da n ds i xf l a s h b u t ，a tc o n c e n t r a t i o no f0 8 mn a c l ，t h e o s c i l l a t i o np a r e mo ft h et lb b a n da l m o s td i s a p p e a r e d ，s u g g e s t i n gt h ei n h i b i t i o n o fs - s t a t ec y c l eb ys a l i n i t ys t r e s s s a l ts t r e s sr e s u l t e di nad e c l i n ei nf m ，a l s or e s u l t e d i nd e c r e a s e si nt h ef l u o r e s c e n c el e v e l sa tp h a s e sj ，ia n dp ，1 1 1 ea b o v e m e n t i o n e d r e s u l t si n d i c a tt h a tt h eo x y g e ns i d ei sd a m a g e db ys a l ts t r e s s w i t ht h ei n c r e a s i n go f s a l tc o n c e n t r a t i o n s ，t h ee x t r i n s i cp r o t e i n - o e c 3 3w a sp r o b a b l yd i s s o c i a t e df r o mt h e c y n o b a c t e r i u mp si ic o m p l e x ，r e s u l t e di nt h ei n h i b i t i o no fs - s t a t ec y c l ew h i c hi sp u t f o r w a r df o rt h ef i r s tt i m ei nc y a n o b a c t e r i aa n dt h ed e c r e a s eo fo x y g e ne v o l u t i o n 4 m e t h o d so fp o l y p h a s i cr i s eo ff l u o r e s c e n c et r a n s i e n t s ( j i p t e s t ) ，d e c a yo fc h la f l u o r e s c e n c ey i e l da f t e ras i n g l et u r n o v e rf l a s ha n dt h e r m o l u m i n e s c e n c ew e r eu s e dt o i n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fs a l ts t r e s so nt h ea c c e p t o rs i d eo f p si ii ns p i r u l i n ap l a t e n s i s 砀er e s u l t ss h o w e dt h a t ：s a l ts t r e s sr e s u l t e di nad e c r e a s eo f a n dq 0 e o ，s u g g e s t t i n ga d e c r e a s ei nt h ee f f i c i e n c yo fe l e c t r o nt r a n s f e rf r o mq a t oq b a n a l y s e so fc h la f l u o r e s c e n c ed e c a yk i n e t i c sr e v e m e dt h es i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nh a l f - l i f et i m e sa n d d e c r e a s ei nt h ea m p l i t u d eo ft h ef a s tc o m p o n e n t ，s u g g e s t t i n gt h a ts a l ts t r e s si n h i b i t s e l e c t r o nt r a n s f e rf r o mq a t oq b a sf o rm i d d l ec o m p o n e n t ，t h e r ew a sa ni n c r e a s ei n t h eh a l f - l i f et i m e sa n dad e c r e a s ei nt h ea m p l i t u d e ，t l l i so b s e r v a t i o ns u g g e s tt h a t s a l ts t r e s sr e s u l t e di nt h em o d i f i c a t i o n so ft h eq bb i n d i n gs i t e ，a f f e c t i n gt h eb i n d i n g a f f i n i t yo fp qm o l e c u l e st ot h eq b b i n d i n gs i t e 。刀砖p e a kt e m p e r a t u r eo ft lb - b a n d a n dq b a n ds h o w e ds h i f t s ，t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h er e d o xp o t e n t i a l so fq aa n d q b m a yh a v ec h a n g e d ，n l ea b o v e m e n t i o n e dr e s u l t si n d i c a tt h a tt h ea c c e p t o rs i d ei s d a m a g e db ys a l ts t r e s s 5 t oo u rk n o w l e d g e ，n o b o d ye v a l u a t e dt h ee f f e c to fs a l ts t r e s so nt h ea c c e p t o rs i d e o fp si ib yt h em e t h o do fd e c a yo fc l daf l u o r e s c e n c ey i e l da f t e ras i n g l et u r n o v e r f l a s h 6 u n d e rs a l ts t r e s s ，b o t he l e c t r o nt r a n s p o r to fd o n e rs i d ea n da c c e p t o rs i d eo fp si i i v a b s t r a c t i ns p i r u l i n ap l a t e n s i sw e r ei n h i b i t i e d ，a n dt h ed e c r e a s eo fa c t i v er e a c t i o nc e n t e r sw e r e a l s of o u n d t h e s ef i n d i n g si m p l yt h a tt h ep r o c e s so fs a l ti n d u c e di n h i b i t i o ni n v o l v e s d a m a g et om o r et h a no n es i t ei nt h ep s i ic o m p l e x e s i na d d i t i o n ，t h ed e c r e a s eo f o x y g e ne v o l u t i o nw a sf a s t e rt h a nt h ed e c r e a s ei nt h ea m p l i t u d eo ft h ef a s tc o m p o n e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fs a l tc o n c e n t r a t i o n s t h e s er e s u l ts h o wt h a tt h eo x i d i z i n gs i d eo f p si i i st h ep r i m a r ya c t i o ns i t ea n dt h e nt h er e a c t i o nc e n t e r sa n da c c e p t o rs i d ea r e c h a n g e d t h e a b o v e m e n t i o n e dr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ed e c r e a s eo fp si ia c t i v i t y i n d u c e db ys a l i n i t ys t r e s si sd u et ot h ei n h i b i t i o no fe l e c t r o nt r a n s p o r tb o t ha tt h e d o n o ra n da c c e p t o rs i d e i na d d i t i o n , t h i sd e c r e a s ew a sa l s or e l a t e d 晰t ht h ed a m a g e t op si ir e a c t i o nc e n t e r s 7 w e s t e r n - b l o t t i n go ft h y l a k o i dm e m b r a n eo ns p i r u l i n ap l a t e n s i sw e r es t u d i e d ，i n o r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec h a n g e so fs o m ep s i ip r o t e i n su n d e rs a l ts t r e s s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e c r e a s ei np si ia c t i v i t yb ys a l i n i t ys t r e s sm a yb ed u et o d i s s o c i a t i o no fc e r t a i nt h y l a k o i dp e p t i d e sf r o mt h y l a k o i dm e m b r a n e ，m a i n l ya sa r e s u l to fd e c r e a s ei nd 1 ，c p 4 3a n dc p4 7p r o t e i nc o n t e n t so fp si ir e a c t i o nc e n t r ea n d o e c 3 3 p r o t e i no fo x y g e n - e v o l v i n gc o m p l e xa tt h ec o n c e n t r a t i o no fn a c l 8 b a s e do nt h ef m d i n g sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h ea d a p t a t i o no fp si ia p p a r a t u s t os a l ts t r e s si ns p i r u l i n ac e l l sa p p e a r st oi n v o l v ead e c r e a s ei nt h ea b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o n ( d e c r e a s e d r a t i oo fp h y c o c y a n i n c h l ，a l l o p h y c o c y a n i n c h l ) a n di n m o d i f i c a t i o n st op si i p h o t o c h e m i s t r y t h r o u g ha ni n c r e a s ei nt h ep r o p o r t i o no f c l o s e dp si ir e a c t i o nc e n t r e s ，t h ep si ia p p a r a t u sw a st h u sp r o t e c t e df r o mf u r t h e r e x c e s se x c i t a t i o ne n e r g y a ni n c r e a s ei nt h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yd i s s i p a t i o no fa c t i v e r e a c t i o nc e n t r e sa n dm a i n t a i n e dt h eh i g hc o n v e r t i o ne f f i c i e n c yo fe x c i t a t i o ne n e r g y , a s r e f l e c t e db ya ni n c r e a s ei nd i o r ca n dn oc h a n g ei nt r o r cu n d e rs a l ts t r e s s o n t h eo t h e rh a n d ，s a l ts t r e s se n h a n c e dt h ee f f i c i e n c yo fe x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e r f r o mp b st op s i ，t h u sp r o t e c t e dp si if r o mf u r t h e re x c e s se x c i t a t i o ne n e r g y t h e s e c h a n g e sk e e pt h es p i r u l i n ac e l l s t oa d a p ts a l i n i t ys t r e s s k e yw o r d s ：p si i ；t l ；s - s t a t e ；w e s t e r n b l o t t i n g ；s a l ts t r e s s ；p h o t o s y n t h e s i s ；s p i r u l i n a p l a t e n s i s ；c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e ；d e c a yo fc h laf l u o r e s c e n c ey i e l d ； v 缩写词 缩写词a b b r e v i a t i o n s i x 盐胁迫对螺旋藻光合作用影响的研究 a d a p t a t i o n fothem i n i m a lf l u o r e s c e n c el e v e ld u r i n g 光照条件下的最小荧光 f v f v f m l c m h e p e s l h c n a d h i l l u m i n i t i o n v a r i a b l ef l u o r e s c e n c e可变荧光 t h em a x i m a lp h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c yo f 光系统i i 的最大光化学效率 p si i c o r e - m e m b r a n el i n k e rp e p t i d e 核膜连接肽 2 4 啦h y d r o x y e t h y l ) - 1 - p i p e r a z i n y l n - ( l - - 羟乙基) 哌嗪- n - 2 乙烷 e t h a n e s u l f o n i ca c i d l i g h th a r v e s t i n gc o m p l e x 磺酸 捕光天线复合物 r e d u c e df o r mo fn i c o t i n a m i d e a d e n i n e 还原型烟酰胺嘌呤二核甘酸，还 d i n u c l e o t i d e原型辅酶i n a d p hr e d u c e df o r mo fn i c o t i n a m i d e a d e n i n e 还原型烟酰胺嘌呤二核甘酸，还 o e c p a g e p b q p b s p c p c b p e p e b p e c p h e o p m s f p q d i n u c l e o t i d ep h o s p h a t e原型辅酶i i o x y g e n - e v o l v i n gc o m p l e x 放氧复合物 p o l y a c r y l a m i d eg e le l e c t r o p h o r e s i s 聚丙烯酰胺凝胶电泳 p - b e n z o q u i n o n e p h y c o b i l i s o m e p h y c o c y a n i n p h y c o c y a n o b i l i n p h y c o e r y t h r o b i l i n p h y c o e r y t h r o b i l i n p h y c o e r y t h r o c y a n i n p h e o p h y t i n p h e n y l m e t h y l s u l f o n y lf l u o r i d e p l a s t o q u i n o n e s x p - 苯醌 藻胆体 藻蓝蛋白 藻蓝胆素 藻红蛋白 藻红胆素 藻红蓝蛋白 脱镁叶绿素 苯甲基磺酰氯 质体醌 缩写词 x i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院植物研究所有关保留、使用学位论文的 规定，即：植物研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅 和借阅；学校可以提供目录检索以及公布论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者签嘲 2 0 0 6 年6 月6 日 研究背景 第一章研究背景( 综述) 1 1 引言 光合作用是光合生物( 包括绿色植物、藻类和光合细菌) 把太阳光能转变 成化学能的过程，它被称为“地球上最重要的化学反应 ，是地球上唯一大规 模地把太阳能转化为化学能，无机物转化为有机物放出氧气的过程。它与当今 人类面临的粮食、能源、资源和环境等问题密切相关。尽管光合作用的研究已 有两百多年的历史，但它仍是目前国际上亟待解决的重大科学难题之一( 汤佩 松，1 9 9 3 ) 。植物和藻类的光合作用是利用光能将大气中的c 0 2 合成碳水化合 物并最终放出氧气，称为o x y g e n i cp h o t o s y n t h e s i s 而光合细菌的光合作用则是 利用光能合成有机化合物但并不释放出氧气，称为a n o x y g e n i cp h o t o s y n t h e s i s 。 光合作用过程可分为原初反应、水的裂解、电子传递及其偶联的磷酸化反 应和二氧化碳的同化四个步骤，这四个步骤中除了二氧化碳的同化外，其它均 在类囊体膜上进行。研究结果显示，高等植物类囊体膜上主要分布着四种复合 物：光系统i i ( 包括核心复合物和捕光复合物l h c i i ) 、光系统i ( 包括核心复 合物和捕光复合物l h ci ) 、细胞色素b 6 f 复合物和a t p 合成酶。两个光系统是 光能吸收、传递以及转化的场所。类囊体膜上所有叶绿素均存在于这两个光系 统中，其中，叶绿素b 只结合在捕光复合物中。 蓝绿藻( b l u e g r e e n a l g a ) ，又称蓝细菌( c y a n o b a c t e r i a ) 是一种低等原核生物， 它是地球上最古老的光合放氧生物，距今已有3 4 亿年的历史。w i l m o t t e ( 1 9 9 4 ) 认为，蓝藻是地球上第一种放氧生物。由于蓝藻的光合作用放出氧气，它是地 球形成早期大气氧的主要提供者，在光合作用的进化过程中占有重要的地位， 对生命的进化产生了积极的影响。尽管蓝藻个体微小，但是其分布极广、数量 惊人。它们可以适应各种不同的生存环境，群集在贫瘠的岩石、南极零下温度 的湖水、温泉、海洋、淡水湖泊、高盐的水体以及营养丰富的污水中。 有关蓝藻光合作用的研究具有十分重要的理论和应用价值。一方面，蓝藻 具有很高的经济价值，它可以用作保健食品，一些特定的产物可以应用于医药 领域。另一方面，蓝藻对环境有着深刻的影响，它的光合作用能够有效降低大 气中的c 0 2 浓度，有利于维护地球的生态平衡。此外，由于蓝藻结构简单、个 体微小、易于培养、生活史短、操作数量大、适于基因操作等优点，常被作为 盐胁迫对螺旋藻光合作用影响的研究 一种模型生物用于放氧光合作用的研究，以阐明高等植物光合作用的机理。因 此，近二十年来有关蓝藻光合作用的研究十分活跃，进展很快。 在干旱、半干旱和灌溉地区，盐胁迫是一个重要的非生物胁迫问题。当今 全球大约7 的世界土地面积、2 0 的世界耕地面积以及一半的灌溉土地都受到 盐胁迫的影响( s z a b o l e s ，1 9 9 4 ) 。盐胁迫是限制光合作用的主要环境因子之一， 常常引起植物和微生物生物量的下降。由于光合作用为植物生长发育提供物质 和能量，是植物生长发育的基础，因此，阐明植物对盐胁迫反应的生理、生化 机理，有助于我们运用基因工程或环境措施来提高植物的耐盐性。蓝藻作为研 究盐胁迫对光合作用影响的模式材料，主要是因为这种原核生物能进行放氧光 合作用，其光合机构类似于高等植物和真核藻类( o q u i s te t a l ，1 9 9 5 ) ：而且蓝藻 细胞可直接暴露在环境胁迫条件下( b l u m w a l de ta 1 ，1 9 8 4 ；j o s e te ta 1 ，1 9 9 6 ； p a p a g e o r g i o ue ta l ，1 9 9 8 ；a l l a k h v e r d i e ve ta 1 ，2 0 0 0 ) ，并且能够适应逆境( t a n d e a u d em a r s a ca n dh o u m a r d ，1 9 9 3 ；n i s h i d aa n dm u r a t a , 1 9 9 6 ) 。因此，用蓝藻为实验材 料，我们就可以研究盐胁迫对光合器官的直接影响。对蓝细菌耐盐机理的研究 有助于对高等植物细胞对盐胁迫反应的研究。 1 2 蓝藻的光合作用 蓝藻细胞包括三种膜组分：细胞外膜、细胞内膜( 细胞质膜) 和类囊体膜 ( s t a n i e ra n dc o h e n - b a z i r e ，1 9 7 7 ；g a n t t ，1 9 9 4 ) 。细胞外膜与内膜之间是肽聚糖层 ( j o s t ，1 9 6 5 ) ，脂多糖则是细胞外膜的主要组分( w e i s te ta 1 ，1 9 7 0 ) 。与高等植 物和其它藻类不同，蓝藻细胞无膜被的细胞器：如叶绿体和线粒体，其类囊体 膜直接散布在细胞质中形成分散的片层系统( o m a t aa n dm u r a t a ，1 9 8 3 ，1 9 8 4 ) ， 类囊体膜无垛叠区与非垛叠区之分。 蓝藻类囊体膜上的电子传递过程及相关组分如图1 所示。其主要的组分为 p s i i 、c y tb 6 f , p si 、a t p 合成酶。这些蛋白复合物在结构和功能上与植物和 真核藻类的都很相似( d o u g l a s ，1 9 9 4 ) 。 蓝藻在捕光天线和类囊体膜的组成上与植物和其它藻类也有不同之处。蓝 藻中只含有叶绿素a ，没有叶绿素a b 捕光天线复合物( l h c ) 。它们含有一种特 殊的光合色素分子一一藻胆素，与蛋白质共价结合形成藻胆蛋白。各种藻胆蛋白 有机地组装成藻胆体，锚合在类囊体膜的表面，作为捕光色素蛋白复合物，功 2 研究背景 能上类似于高等植物中跨膜分布的叶绿素a ，b 捕光天线复合物( g l a m z e r ， 1 9 8 4 ；s i d l e r ，1 9 9 4 ) 。蓝藻的类囊体膜上不仅分布了光合电子传递链，还含有呼吸 电子传递链的组分，如n a d ( p ) h 脱氢酶( n d h ) 和c y t 氧化酶( c y t o x ) 。 光合作用与呼吸作用电子传递链共用p q 库作为电子传递体( h i r a n oe t a l 1 9 8 0 ) 。 这种光合电子传递链和呼吸电子传递链的交叉，反映了这种原核生物的原始性。 铞留已字褊，鞭 圈1 蓝藻类囊体膜上的光台电子传递链 2 1 蓝藻的p s i i p s i i 是进行光诱导的水裂解反应和质体醌还原反应的中心。它是一个多亚 基的色素蛋白复台物，存在于高等植物 括由核基因和叶绿体基因编码的大约 真核藻类和蓝藻的类囊体膜中。它包 2 6 个不同的蛋白亚基( k a s h i n o “a l ， 2 0 0 2 b ) 。( 图2 所示) 。最近，两种嗜熟蓝藻p si i 核心的晶体结构已有报道，其 分辨率分别为3 8 a 和3 7 a ( z o u n i e t a t 工0 0 1 ；k a m i y a a n d s h e n , 2 0 0 3 ) 。该结构 墼暨翌翌坚矍銎垄垒錾里墅矍氅罂垒 揭示了p si i 主要亚基的组成和氧化还原辅助因子的排列。 图2 蓝藻p si l 的亚基组成和功能示意圈 蓝藻p s i f 的核心天线由色素蛋白c p 4 3 、c p 4 7 组成，它们结合了p si i 中 大部分的叶绿紊。每个蛋白上约有1 2 2 0 个叶绿素a 分子( s h e na n d v e r m a a s ，1 9 9 4 ) 。根据h y d r o p a t h yp l o b 和免疫标记实验结果( s a y r ea n d w r o o b e l - b o e m e l1 9 9 4 ) ，这两种蛋白都有六个跨膜的螺旋和一个长达1 0 0 多个氨 基酸的、暴露于类囊体腔的亲水l o o p 区。c p 4 3 、c p 4 7 分布在p 6 8 0 周围，与它 紧密相邻，将藻胆体传递过来的光能和自身捕收的光能一起传递给p 6 8 0 。 c p 4 3 蛋白由p s b c 基因编码，将蓝藻s y n e c h o c y s t 打6 8 0 3 的p s b c 基因删除 后，p s i i 的其它多肽组分d 1 、d 2 和c p 4 7 蛋白含量明显下降说明c p 4 3 对p s i i 的组成和功能维持方面有较大作用( s h e na n d v e r m a a s ，1 9 9 4 ) 。c p 4 7 蛋白与p s i i 结合紧密，在疏水区含有十二个保守的组氨酸残基。点突变实验证明这些组氨 酸残基是叶绿素的结合位点( s h e np f a l ，1 9 9 3 ) 。将c p 4 7 的编码基因p s b b 删除 后，突变株中还存在一定量的c p 4 3 ，但d l 、d 2 蛋白的舍量非常低，检测不到 有生理活性的p s i l ，说明c p 4 7 是p s i i 装配和稳定所必须的( s h e na n d 研究背景 v e r m a a s ，1 9 9 4 ) 。另外，也有实验认为c p 4 7 可能还与外周的3 3 k d a 蛋白、四锰 复合物有联系( b a l t s h e f f s h y ，1 9 9 0 ) 。 反应中心的d l 和d 2 蛋白是p si i 的核心蛋白，结合着与电子传递有关的 大部分辅助因子( b a r r ye t a l ，1 9 9 4 ) 。d 1 和d 2 蛋白的大小相近，分子量分别为 3 2 k d a 和3 4 k d a ，上面结合着原初电子供体p