（发育生物学专业论文）植物响应逆境过程中类囊体膜差异表达蛋白的研究.pdf

摘要 摘要 本研究以河西走廊4 种不同生态型芦苇：水生芦苇( s w a m pr e e d ，s r ) 、轻 度盐化草甸芦苇( 1 i g h ts a l tm e a d o wr e e d ，l s m r ) 、重度盐化草甸芦苇( h e a v ys a l t m e a d o wr e e d ，h s m r ) 、沙丘芦苇( d u n er e e d ，d r ) 及典型c 4 植物玉米为实验 材料，采用蓝绿温和胶电泳( b n s d s p a g e ) 及免疫杂交( w s t e m b l o t t i n g ) 技 术，研究了自然逆境胁迫和渐进干旱胁迫对植物叶片类囊体膜相关生理指标的影 响及类囊体膜蛋白质组的变化，以期发现植物响应环境变化过程中类囊体膜蛋白 组分的差异表达特点，为进一步揭示植物逆境响应过程中的光合调节机制提供依 据。获得的主要结果如下： 1 、采用p e r c o l l 梯度超速离心，获得完整叶绿体，对叶绿体涨破后离心沉淀，获 得类囊体膜，从而为叶绿体亚组分的蛋白质组学分析奠定了基础。 2 、比较研究了含有d o d e c y lm a l t o s i d e ( d m ) 和t r i t o n x 1 0 0 不同去垢剂的两种 常用裂解液配方对类囊体膜蛋白的溶解性的影响。结果表明，含有2 d m 去 垢剂的裂解液对于除沙芦外的三种生态型芦苇和玉米叶绿体类囊体膜蛋白质 的溶解效果最佳，而沙芦类囊体膜蛋白质的增溶以5 d m 最佳。 3 、通过蓝绿温和胶电泳分析了芦苇类囊体膜的主要蛋白复合物。与水生型芦苇 相比，长期适应干旱和盐渍生境的芦苇类囊体膜蛋白质复合体缺失c p 4 3 的 p si i 、a t p 合成酶细胞色素b 6 f 二聚体、l h ci i 的三聚体和l h ci i 单体表 达量均下降。各复合物亚基比对结果表明，沙丘芦苇p si i 反应中心蛋白质 d 1 ，d 2 ，c p 4 3 ，c p 4 7 和l h c i i 的3 个亚基l h c b l 一- l h c b3 及p si 反应中心 蛋白p s a a 、p s a b 、p s a d 、p s a e 和p s a f 和l h ci 的4 个亚基l h c a l - - - l h c a4 表达量均较水生芦苇下降。盐渍芦苇l h c b l 在轻度盐渍化芦苇中的表达量反 而较水芦增加，其余结果与干旱胁迫一致。 4 、免疫印迹研究表明：两种陆生型芦苇中光系统i i 主要核心蛋白p s b a 蛋白表 达较水生型降低，而光系统i 主要核心蛋白p s a c 及r u b i s c o 大亚基蛋白丰度 均高于水生型芦苇；光系统i 捕光色素蛋白复合物l h ci 的4 个亚基l h c a l l h c a 4 在沙丘芦苇中均明显下降；在盐渍芦苇中只有l h c a4 下降其余无明显 摘要 差别。光系统i i 捕光色素蛋白复合物l h c i i 的6 个亚基l h c b l - - l h c b 6 中， 沙芦l h c b l 略有下降，l h c b 2 4 几无变化，而l h c b 5 、6 明显降低；而盐渍芦 苇中，l h c b l 、2 、4 无显著变化，l h c b3 、5 表达量较水生型降低，而l h c b 6 升高。就两种陆生生态型相比较而言，盐渍胁迫对上述类囊体膜蛋白组分的 影响小于干旱胁迫的影响。 5 、与对照相比，渐进干旱条件下，随着土壤含水量的降低，玉米叶片水势下降， 叶片叶绿素荧光参数f v 、f 价m 、p si i 和q p 不断下降，下降程度随干旱 胁迫加剧而逐渐增大；而q n 则随干旱胁迫程度加剧而增加，暗示干旱造成 的p si i 活性下调可能与光系统通过非光化学耗散过剩激发能以保护光合机构 免于进一步破坏有关。 6 在7 天渐进干旱胁迫过程中，玉米类囊体膜p si p si i 二聚体核心复合体、p s i 、a t p 合成酶细胞色素b 6 f 二聚体、缺失c p 4 3 的p s i i 以及l h c i i 三聚 体和单体的表达量持续下降。复水3 天后它们的表达量均可不同程度回升。 关键词：芦苇；玉米；蓝绿温和胶电泳；免疫印迹；类囊体膜 2 摘要 a b s t r a c t t h ee f f e c t so fn a t u r a ld r o u g h ta n ds a l i n i t ya sw e l la sp r o g r e s s i v ed r o u g h ts t r e s s o np h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o t e i nc o m p o n e n t so ft h y l a k o i dm e m e b r a n e w e r es t u d i e db yu s i n gb l u en a t i v ep a g ea n dw e s t e r n - b l o t f o u re c o t y p e so fr e e d ， r e f e r r e dt oa ss w a m pr e e d ( s r ) ，d u n er e e d ( d r ) ；h e a v ys a l tm e a d o wr e e d ( h s m r ) a n dl i g h ts a l tm e a d o wr e e d ( l s m r ) g r o w i n gi nt h ed e s e r tr e g i o no fn o r t h w e s t e r n c h i n aa n dp o t t e dm a i z eu n d e rp r o g r e s s i v e d r o u g h tt r e a t m e n tw e r e u s e da s e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s t h ea i mo ft h ep r e s e n ts t u d yw a st o f i n dt h ed i f f e r e n t i a l p r o t e i ne x p r e s s i o np r o f i l e so ft h y l a k o i dm e m b r a n ei s o l a t e df r o md i f f e r e n te c o t y p e so f r e e di na d a p t i n gt oa r i da n ds a l i n eh a b i t a t s ，w h i c hs h o w e dat r a n s i t i o nt e n d e n c yo f p h o t o s y n t h e t i cp a t h w a yf r o mc 3t oc 4 b e s i d e s ，t h ee f f e c to fp r o g r e s s i v ed r o u g h t t r e a t m e n to nt h et h y l a k o i dm e m b r a n eo ft h em a i z e ( z e am a y sl ) ，at y p i c a lc 4m o d e l p l a n t c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tw a sa l s oo b s e r v e d i ti sh o p e dt h a tt h e s ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so b t a i n e df r o md i f f e r e n te c o t y p e so ft h es a m es p e c i e si na d a p t a t i o nt on a t u r a l e x t r e m eh a b i t a t sa sw e l la sm a i z ei nr e s p o n s et op r o g r e s s i v ew a t e rd e f i c i tm i g h th e l p t oo u rb e t t e ru n d e r s t a n d i n go fp h o t o s y n t h e t i cr e g u l a t i o ni np l a n t sa d a p t a t i o nt o n a t u r a ld r o u g h ta n ds a l i n i t y t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 g r a d i e n tc e n t r i f u g a t i o nw i t h3 0 a n d8 0 p e r c o l lw e r eu s e dt oi s o l a t ei n t a c t c h l o r o p l a s t s t h e nt h et h y l a k o i sm e m b r a n ew a so b t a i n e db yo s m o t i c a l l yb r e a k i n g t h ec h l o r o p l a s t sa n dc e n t r i f u g a t i n g ，w h i c hl a i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e ra n a l y s i so f t h y a l k o i dm e m b r a n ep r o t e i n s 2 e f f e c t so ft w od i f f e r e n tl y s i sb u f f e r e sw h i c hc o n t a i n e dd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f d ma n dt r i t o n x - 10 0d u r i n gt h es o l u b i l i z a t i o no fm e m b r a n ep r o t e i n sw e r et e s t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tl y s i sb u f f e rc o n t a i n i n g2 d mw a ss u i t a b l eo n et os o l u b l e m e m b r a n ep r o t e i n so ft h r e ee c o t y p e s5 d mw a ss u i t a b l et od r 3 d r o u g h ta n ds a l ts t r e s sh a ds i g n i f i c a n te f f e c t so np l a n tt h y l a k o i dm e m b r a n e c o m p o n e n t s c o m p a r e dw i t ht h es w a m pe c o t y p e ，t h ec o n t e n t so fa t p a s e c y t b 6 f , c p 4 3 一l e s sp si i a n dl h ci im o n o m e ra n dt r i m e ri nt h et h y l a k o i dm e m b r a n eo f t h r e et e r r e s t r i a le c o t y p e sd e c r e a s e d t h ep r o t e i np r o f i l e so fa b o v ec o m p l e x e si n 3 摘要 s e c o n ds d s p a g ew h i c hc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sp u b l i s h e db yo t h e rl i t e r a t e s s h o w e dt h a tt h ec o n t e n t so fl h c b ( 1 - - - 3 ) ，l h c a ( 1 - - - 4 ) a n dt h ep r o t e i n so ft h ep s r e a c tc e n t e r ，s u c ha sd 1 ，d 2 ，c p 4 3 ，c p 4 7 ，p s a a ，p s a b ，p s a d ，p s a e ，p s a f d e c r e a s e di nd u n er e e d ，e x c e p tl h c bl ，w h i c hs h o w e dah i g h e rl e v e lc o n t e n ti n l i g h ts a l tm e a d o wr e e di nc o m p a r i s o nw i t ht h es w a m p e c o t y p e a sf a ra st h et w o t e r r e s t r i a le c o t y p e sw e r ec o n c e r n e d ，t h ee f f e c to fd r o u g h to nt h y l a k o i dm e m b r a n e c o m p o n e n t ss h o w e da m o r es e r i o u se f f e c tt h a nt h a tr e s u l t i n gf r o mt h es a l i n i t y 4 w e s t e r n - b l o t t i n gt e s t ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n t so fm a i np r o t e i nc o m p l e x e so fp s i i ，l i g h th a r v e s tc o m p l e xl h c a ( 1 - - 4 ) a n dl h c b ( 1 6 ) i nd u n er e e d sa n dt h e c o n t e n t so fl h c a4a n dl h c b ( 2 - - 一5 ) i ns a l tm e a d o wr e e dw e r el e s st h a nt h o s eo f t h es w a m pe c o t y p e ，w h i l ep s a c ，t h em a j o rp r o t e i no ft h ep si ，s h o w e dah i g h e r l e v e lp r o t e i nc o n t e n ti nc o m p a r i s o nw i t ht h es w a m pr e e d a sf a ra st h et w o t e r r e s t r i a le c o t y p e sw e r ec o n c e r n e d ，e f f e c to ft h ed r o u g h to nt h et h y l a k o i d m e m b r a n ew a sm o r es e r i o u st h a nt h a tr e s u l t i n gf r o mt h es a l i n i t y 5 u n d e rt h ed r o u g h tc o n d i t i o n ，l e a fw a t e rc o n t e n t sw e r ed e c r e a s e da l o n gw i t ht h e d e c l i n ei ns o i lw a t e rc o n t e n t s c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ep a r a m e t e r sd e r i v e df r o m a n a l y z i n gm o d u l a t e dc h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e ，s u c ha ss u c ha sf v f m ，y e i l da n dq p , s h o w e das t r o n gp r o g r e s s i v ed r o po nt h ed a y s3 ，5 ，a n d7a f t e rw a t e rd e f i t i c s a p p l i c a t i o n ，s h o w e das i g n i f i c a n td e c r e a s e s i nm i z el e a v e si n r e s p o n s e t o p r o g r e s s i v ew a t e rd e f i c i t h o w e v e r , q ns h o w e da r e v e r s et r e n d t h i si m p l i e dt h a t t h ed e c l i n e si nc o m p o n e n t so ft h y l a k o i dm e m b r a n ec a u s e db yw a t e rd e f i c i t sa n d s a l i n i t ym i g h tc o n t r i b u t et op r o t e c tt h ep h o t o s y n t h e t i ca p p a r a t u sa g a i n s td a m a g eo f e x c e s s i v ee n e r g y 6 c o m p a r e s dw i t h t h ec k ，t h ec o n t e n t so fp si + l h cic o m p l e x ，p s i ， a t p a s e c y t b 6 f , c p 4 3 - l e s sp si i ，l h ci im o n o m e ra n dl h c i it r i m e rf r o mt h e t h y l a k o i dm e m b r a n ei ns t r e s s e dm a i z el e a v e sd e c r e a s e di nv a r y i n gd e g r e e s a t3 ，5 ， a n d7d a y sa f t e rw a t e rd e f i c i t st r e a t m e n t t h ec o n t e n t so fa l lt h e s es i xp r o t e i n c o m p l e x e sc o u l di m p r o v ea f t e rr e w a t e r i n gf o r3d a y s k e yw o r d s ：p h r a g m i t sc o m m u n i st m a i z e ；e c o t y p e s ；t h y l a k o i dm e m b r a n e ； b l u e - n a t i v ep a g e ；w e s t e r n b l o w i n g 4 缩略词表 英文缩写 缩略词表 英文全称 2 - d e t w o - d i m e n t i o n a le l e c t r o p h o r e s i s b n p a g eb l u en a t i v ep a g e b s a c b b d t t d r e d t a h e p e s h r p h s m r l s m r 2 m e m s m w p a g e p si p si i r u b i s c o s o d s d s a l b u m i nb o v i n es e r u m c o o m a s s i eb r i l l i a n tb l u e d e t h i l t h r e i t o l d u l l er e e d e t h y l e n ed i a m i n e t e t r a a c e t i ca c i d n 一( 2 - h y d r o x y e t h y l ) - p i p a r a z i n e n 2 一e t h a n e s u l f o n i ca c i d h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e h e a v ys a l tm e a d o wr e e d l i g h ts a l tm e a d o w r e e d 2 - m e r c a p t o e t h a n o l b m e r c a p t o e t h a n o l m a s ss p e c t r o m e t r y m o l e c u l a rw e i g h t 中文名称 双向电泳 蓝绿温和胶电泳 牛血清白蛋白 考马斯亮蓝 二硫苏糖醇 沙芦 乙二胺四乙酸 n 一2 羟乙基哌嗪一 n 2 乙磺酸 辣根过氧化物酶 重度盐化草甸芦苇 轻度盐化草甸芦苇 1 3 巯基乙醇 质谱 分子量 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 h o t o s y s t e m i p h o t o s y s t e mi i 光系统i 光系统i i r u b o l u s eb i s p h o s p h a t ec a r b o x y l a s e 核酮糖二磷酸羧化酶 s u p e r o x i d ed i s m u t a s e s o d i u md o d e c y ls u l f a t e 5 超氧化物歧化酶 十二烷基硫酸钠 缩略词表 s r s w c t e m e d h s s o i lw a t e rc o n t e n t 水芦 土壤含水量 t e t r a m e t h y le t h y l e n ed i a m i n e 四甲基乙二胺 t r i y d r o x y m e t h ya m i n o m e t h a n e 三羟甲基氨基甲烷 6 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 樵埸轴笏期描环研私 ) 课题( 组) 的研究成果，获得( 氇呦蛹蕴 ) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 鼋嘞咬裔段 ) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：匆浩 乃d b 年莎月弓e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () i 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于 ( 日解密，解密后适用上述授权。 保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ： 诩6 年妇多e l 彰肇 第一章前言 第一章前言 逆境是对植物生存生长不利的各种环境因素的总称，是影响植物偏离最佳状 态的环境因子i l 】。逆境也称为环境胁迫，主要包括高温、低温、缺氧、干旱、盐 渍等1 2 】。环境胁迫能够引起植物基因表达和细胞代谢的改变，从而影响作物的生 长发育和产量f 3 】。在各种胁迫因素中，土壤干旱和盐渍胁迫是最常见、最普遍的 两个环境因子，其中，干旱造成的损失最大，其损失量超过其他逆境造成损失的 总和【3 】。在我国尤其是干旱和半干旱地区，缺水问题一直是限制农业生产的最主 要因素之一，即使是降水较多的地区也普遍存在季节性和非周期性干旱问题【4 】。 除干旱胁迫外，土壤盐渍化正肆无忌惮地吞噬着人类赖以生存的有限的土地资 源，成为严重制约农业生产的又一个全球性问题。联合国粮农组织的调查结果显 示，全球6 的陆地面积遭受着土壤盐渍化的侵蚀，2 0 的灌溉农业受到不同程 度的盐害威胁，土壤干旱和盐渍化已成为世界农业发展的主要制约因素【5 】。 环境胁迫给植物和农作物带来许多不利影响，例如，它限制植物的营养生长 和生殖生长，减少总叶面积，改变根冠比，影响光合作用、呼吸作用、水和营养 物质的吸收和运输，以及植物体内许多生物化学过程，如细胞壁物质、蛋白质和 叶绿素等重要物质的合成，促进糖、脯氨酸等物质的积累，同时影响一些酶的活 性等，其中光合作用所受影响是很重要的一个方面。植物光合生理对某一环境的 适应性很大程度上反映了植物在该地区的生存能力和竞争能力【6 】。植物感受胁迫 信号、传递胁迫刺激并激活抗胁迫反应的机制，不仅对于植物学本身的理论研究 意义重大，而且对于合理育种及提高农作物抗胁迫能力的转基因策略也具有至关 重要的实践指导作用1 5 j 。 1 高等植物光合作用及光合膜结构的特点 1 1 光合作用概述 光合作用是光合生物( 包括绿色植物、藻类和细菌) 将光能转化为化学能， 并同时将无机物转变成有机物贮存在生物体内的过程，是地球上所有生命现象的 能量和物质基础。光合作用研究的核心问题之一是阐明光能吸收、传递和转化的 机理。现已证明，光合生物对光能的吸收、传递和转化都是在光合膜上具有一定 7 第一章前言 的分子排列和空间构象的色素蛋白复合体上进行的，在分子水平上揭示各种膜蛋 白复合体的结构与功能及其相互关系对于揭示光合作用光能转化的机理具有重 要意义1 7 j 。 1 2 类囊体膜上的主要蛋白复合体 由于光合作用的光反应是在类囊体膜上进行的，所以称类囊体膜为光合膜。 类囊体膜上含有由多种亚基、多种成分组成的蛋白复合体，主要有四类，即光系 统ip s i 、光系统i i p si i 、c y t b 6 f 复合体和a t p 酶复合体( a t p a s e ) ，它们参与 了光能吸收、传递与转化、电子传递、h + 输送以及a t p 合成等反应。这四类蛋 白复合体在类囊体膜上的分布大致是：p si i 主要存在于基粒片层的堆叠区，p s i 与a t p a s e 存在于基质片层与基粒片层的非堆叠区，c y t b 6 f 复合体分布较均匀， 它们在类囊体膜上的区隔分布使得类囊体膜呈现出横向异质性【8 ，9 】。p si i 中放氧 复合体在膜内表面，p si i 的原初供体位于膜内侧，原初受体靠近膜外侧。质体醌 可以在膜的疏水区内移动。c y t b 6 f 复合体在膜的疏水区。p si 的电子供体p c 在膜的内腔侧，而p si 还原端的f d 、f n r 在膜的外侧。蛋白复合体及其亚基的 这种分布，有利于电子传递、h + 的转移和a t p 合成。色素蛋白复合体在光合作 用中担负着吸收、传递和转化光能的任务，而a t p a s e 则偶联电子传递在光合磷 酸化中发挥重要的作用。 1 2 1 光系统i ( p si ) 反应中心叶绿素蛋白复合体 p si 是由多个膜蛋白组成的超分子复合物，能被波长7 0 0 n m 的光激发，又称 p 7 0 0 。它催化从原初电子供体p 7 0 0 ，经过一系列的中间电子递体到达末端电子受体 f a f b 的跨膜电子传递【1 0 】。高等植物的p si 可以分为两大部分：一部分是p si 核 心复合物，另一部分是由4 个多肽组成的外周天线，它们属于捕光色素蛋白( l h c ) 家族，被命名为l h c a l - - 4 1 1 , 1 2 】。实验表明，p si 核心复合物( p si c c ) 是一个 异型多体的色素蛋白复合物，它由1 1 1 3 个不同的多肽和辅助因子组成。最新晶 体数据【1 3 】显示：p si 含有9 6 个c h la 分子，2 个叶绿体醌分子，2 2 个b c a r 和3 个 4 f e 4 s 簇f x ，4 个脂分子。在组成p si 核心复合物的蛋白亚基中，p s a a 和p s a b 结合形成异质二聚体。p si 复合物还包含3 个外周蛋白( p s a c 、p s a d 和p s a e ) 以 及5 个膜内周蛋白( p s a l 、p s a k 、p s a f 、p s a f 和p s a j ) 。 8 第一 前言 固i - i 高等植物光系统i ( p s1 ) 结构示意图 f i g1 1 t h es t r u c l r u a lm o d e lo f p si 反应中心蛋白p s a a 、p s a b 由位于叶绿体基匦| 组上的船n a 和辨出基因编码。 这两个高度疏水的蛋白具有很高的同源性和保守性。s m a r t 等( 1 9 9 2 ) 发现 p s a a 或p s a b 基因的失活都将导致p si 复合物在类囊体中缺失，表明p s a a 或 p s a b 不能单独形成二聚体，而p s a a p s a b 异二聚体的存在是整个p si 复合物组装 所必需的。p s a c 蛋白分子量为89k d a ，是一个由8 1 个氨幕酸残基组成的位于类 囊体膜基质侧的酸性亲水蛋白。在真核生物中，p s a c 基因位于叶绿体基因组。 p s a c 最显著的特点是具有9 个保守的半胱氧酸残基，其中8 个半胱氨酸参与结合电 子传递链的两个组分铁硫中心f a 和f bi i q 。p s a d 在蓝细菌中由1 3 9 1 4 4 个氨 基酸残基组成，在高等植物中多了大约2 3 个氨基酸残基组成的n 端延伸片段。 p s a d 由核基因编码，在真核生物中它的分子量约l8 k d a m j ，主爱功能是同f d 和黄 素氧还蛋白作用“q ，另一功能是为p s a c 同p si 核心区相结合所必需，有助于 p s a c 、p s a l ，和p s a e 稳定地纽装到p s1 中。p s a e 亦为核基因编码，其参与循环 电子传递口1 i 并且参与f d 的结合，它暴露于表面的c 端可以同f d 干h 互作用1 1 ”。 1 2 2 光系统( p s ) 反应中心叶绿素蛋白复合体 p s l i 反应中心叶绿素蛋白复台体吸收高峰在波长6 9 0 n m 处，又称p 啪，由 分子量3 2 k d a 、3 4 k d a 的d 1 、d 2 ，1 0 k d a 和4 k d a 的c y l b 5 5 9 a 业基和b 业摹，以 及少量48 k d a 的p si 基因产物等多肽组成1 1 7 1 。 p s l l 反应中心至少由2 5 种亚单位组成，d 1 蛋白和d 2 蛋白是两个最重要的组 分，它们构成p s i i 反应中心的基本框架，各种与原初电荷分离及电子传递有关的 辅助凼于都有序地结合在这个框架上1 2 ”，d l 蛋白的t y r l 6 1 ；秆l h i s l 9 0 直接参- 5 水 * 帝； 的光解与d 1 蛋白相连的反应中一c , p 啪是原初电子供体；去镁叶绿索p h e o 和q b 作为初级和次级电子受体分别与d 1 蛋白相连口“，所以位于p s i i 反应中心的d 1 蛋 白不仅能为各种辅助因子提供结合位点，维持p s i i 反应中心构象的稳定，而且还 与原初电荷分离币】传递有关，这就意味着d 1 蛋白的破坏，不仅会导致p s l i 反应 叶】心结构的变化，而且很可能会引起电子传递的受阻。d 1 蛋白由叶绿体内基因 p s b a 编码，其半衰期为2 0 ，3 0 m i n ，有人发现d 1 蛋白的降解不仅发生在强光下， 弱光下也存在d 1 蛋白的降解。在正常情况下，d 1 蛋白的降解速度小于合成速度， 一旦暴露于强光下或强光与环境胁迫相偶联时，d l 蛋臼的降解速度会超过合成 速度，导致p s 】i 反应中心的破坏口”。有人认为，d l 蛋白的剧转可能仅仅是维持 p s i i 反应中心结构的一种需要，只要d 1 蛋白的降解速率大于其合成速率，即发 生d 1 蛋白的净降解，就可能导致p s i i 反应- h 0 的失活。有研究表明：p st 1 反应 中心的失活至少分两步进行：第步是可逆的，它的逆转_ ；需蓦d 1 蛋白的重新 合成1 2 62 9 】，篇二步则是不n t 逆的，它的重新活化需要d 1 蛋白的合成。目前，p s i i 反应中心的可逆失活很可能足种重要的耗散机制的观点己越来越多地为大 多数研究者所接受”。 图1 - 2 自等植物光系统i i ( p s ) 结构示意圈“ f i g i2 t h es t r u c t r u a l m o d e lo f p s i i 1 2 3 捕光色素蛋白复合体( l h c ) 高等植物中，捕光色素蛋白( l h c ) 家族在两个光系统中包含有至少1 0 个不 同的天线蛋白分别为p s i 的l h c a l - - 4 和p s i i 的l h c b l 6 。 p s i 捕光色素蛋白复合体i ( l h c i ) l h ci 是p si 的捕光色素蛋白，结合大约1 0 0 个叶绿素分子以增大捕光截面， 蜇 第一章前言 并且因为含有c h lb 和类胡萝卜素而可以捕获光谱中不同波长的光。现己知道， l h ci 蛋白由核基因编码，在细胞质中合成后在引导肽的作用下被运输进叶绿体 并整合到类囊体膜上。l h ci 蛋白现在被归于一个大的l h c 家族，其中包括l h c i i 、c p 2 4 、c p 2 9 等【3 l 】。在通常情况下，l h c 蛋白有两个相似区域，即：第一个 和第三个跨膜螺旋以及暴露在基质中的前导序列【1 2 1 。目前比较公认的l h ci 蛋白 的组成及基本特征见表1 1 。 表1 1 l h ci 蛋白的组成和特性( 引自j a n s s o n ，1 9 9 4 ) 1 1 2 1 t a b l e1 1c h a r a c t e r i s t r i c so fe a c hc o m p o n e n ti nl h cic o m p l e x ( j a n s s o n ，19 9 4 ) 1 1 2 1 l h ci 已经从不同植物，如豌豆【3 2 1 、菠菜f 3 3 】、大麦1 1 1 等叶片中被分离出 来，其分子量约在2 0 - 2 5k d a 之间。菠菜l h ci 用去垢剂t r i t o n 1 0 0 处理进一步 可以分离为两个复合物，其中一个包含2 3k d a 和2 5k d a 蛋白，7 7 k 低温荧光 发射在6 8 0n l n ；另一个包含2 0k d a 蛋白，7 7 k 低温荧光发射峰位为7 3 0 r i m 3 3 j 。 大麦l h ci 也可以用去垢剂d m 处理分为两个复合物：l h ci 一6 8 0 $ 1 l h ci 7 3 0 i 9 1 。k u a n g 等( 1 9 8 4 ) 3 4 1 用不同方法分离鉴定了豌豆l h ci 复合物并认为 l h ci 中的2 1k d 蛋白是p si 长波荧光的来源。现在普遍认为，l h ci 中的 l h c a l 军l j l h c a 4 结合组成l h ci 7 3 0 而l h c a 2 和l h c a 3 结合组成l h ci 6 8 0 。 k n o e t z e l 和s v e n d s e n ( 1 9 9 2 ) 3 5 j 提出的l h ci 的结构模型认为：l h ci 6 8 0 和 l h ci 一7 3 0 ，l h ci i 三体和l h ci 6 8 0 结合，能量从l h ci i 或l h ci 7 3 0 经 过l h ci 6 8 0 传至反应中心。b o e k e m a 等( 1 9 9 0 ) 1 3 6 根据电子显微镜研究结果推 测，p si 核心被单层8 个l h c 蛋白包围，因为四种l h c 蛋白存在的量大约相等， 第一章前言 因此可能在p si 复合物中每种l h ci 蛋白都存在两个拷贝。 p s i i 捕光色素蛋白复合体( l c h ) l c hi i 的组分是一类结构相似、进化相关，由核基因编码的蛋白与色素所形 成的色素蛋白复合体家族。它们在类囊体膜中除了进行光能的吸收和传递之外， 在维持类囊体膜的结构、调节激发能在两个光系统之间的分配、光保护以及对各 种环境的适应等过程中都起着重要的作用。近年来，随着蛋白质分子空间结构的 解析，分子生物学及超快光谱技术的迅速发展和有效地结合应用，进一步加深了 人们对l c hi i 结构和功能的认识【l o 】。 实验表明，l c hi i 是核一质与叶绿体基因协同表达的一个很好的例子。其脱 辅基蛋白由l h c b l ( 2 8 k d ) 、l h c b 2 ( 2 7 k d ) 和l h c b 3 ( 2 5 k d ) 3 种多肽组成【l 引。 它们先在胞质中合成有转运肽的蛋白前体，转运进入叶绿体时切去转运肽，加工 为成熟蛋白后，再整合到类囊体膜上，先形成l h ci i 单体，继而形成三聚体。 l h ci i 的转运、正确折叠与装配还需要叶绿素等色素分子的参与【3 7 ，38 1 。l h ci i 脱 辅基蛋白由核基因c a b 编码，其转录对叶绿体的代谢和或功能状态最为敏感。 故该基因常常作为研究质体反向信号通路的一个分子标记【3 9 1 。 在l h c i i 的研究中，由于不同实验室所用的去垢剂种类、提取方法以及命名 原则不同，导致文献中报道的l h ci i 组分的差异和命名的混舌l 4 0 , 4 1 】。以前大部分 的命名都是根据l h c i i 在凝胶电泳中的表观分子量来确定的。但由于不同胶系统 分辨率的差异，造成l h c i i 多肽组分命名的不同。1 9 9 2 年，j a n s o n1 4 0 】根据编码其 蛋白质组分的基因类型对l h ci i 的多肽组分进行了较系统的命名。目前国际上主 要采用这种命名原则，并认为l h ci i 主要由六种色素蛋白复合体组成，它们分别 由l h c b l 、l h c b 2 、玩国3 、l h c b 4 、l h c b 5 和l h c b 6 六种基因型编码的蛋白与色素形 成l h c b l 、l h c b 2 、l h c b 3 、l h c b 4 、l h c b 5 和l h c b 6 。其中l h c b l 、l h c b 2 和l h c b 3 总称主体l h ci i ( 或l c hi ib ) ，l h c b 4 ( c p 2 9 或l c hi ia ) 、l h c b 5 ( c p 2 6 或l h ci ic ) 和l h c b 6 ( c p 2 4 或l h ci ie 1 ) 合称微量l h ci i 。有关上述高 等植物l h ci i 的主要组分及各自的特点详见表1 2 。为了前后相关内容表述一致， 我们使用l h c b l - - 6 的表示方法。 1 2 第一章前言 表1 2l c hi i 各组分的命名及其特性的比较( 引自孙钦秒，2 0 0 0 ) f 4 1 l t a b l e l - 2c h a r a c t e r i s t r i c so f e a c hc o m p o n e n ti nl h ci i c o m p l e x ( s u n ，2 0 0 0 ) f 4 1 】 l h c bll h ci 2 52 7 2 84 7 5 44 o 4 2 l h c b l l h c i i b 2 8 l ( d a h c b 2l h ci i2 52 5 2 74 7 5 24 o 4 2 c h la c h lb l u t e i n l h c b 2 l h c i i b n e o x a n t h i n v i o l a x n t h i n = 2 7 k d a l h c b 3 l h c l i2 42 4 2 54 5 4 63 ，9 4 ，l1 ：0 7 4 ：0 2 4 ：0 0 6