光合作用高效光能转化机理及其在农业中的应用.doc

光合作用高效光能转化机理及其在农业中的应用一、光合作用反应中心光能转化的微观机理的研究1、该项目组利用飞秒及皮秒超快光谱技术，对光系统II颗粒、核心复合物及反应中心三个层次的光合系统进行研究，首次测到2.9ps和20.1ps两个组分，并证明它们与PSII的光化学反应活性有关，从而提出光系统II反应中心原初电荷分离两步反应的动力学新模型。 并发现在RpsVirid细菌反应中心中，原初电子转移过程是从原初电子给体经辅助叶绿素分子到原初电子受体的二步电子转移过程。2、首次发现紫细菌反应中心色素置换和激发能在色素高激发态能级上的传递。3、测定了三种生长速度不同的植物-菠菜、三七和水葫芦叶绿体光系统II反应中心的转能效率，证明了生长慢的植物-三七-对于被它吸收的光子能量利用效率较低，而生长快的植物-水葫芦-光能利用效率较高。4、成功地观测到了视黄酸自由基正离子与TiO2表面束缚电子复合而形成的三线态视黄酸分子，并对其光谱和动力学过程进行了纳秒时间分辨光谱表征。5、建立了国内第一套具有国际先进水平的THz远红外飞秒脉冲新型光源，以及相应的时域光谱测量系统，将应用于对光激发下蛋白质的动态过程进行直接探测。二、捕光色素蛋白复合体结构与功能的研究1、提出光合细菌天线色素分子之间相互作用的新模型：根据已知的色素蛋白复合体的结构数据，计入一维环形结构中所有二聚体之间的偶极相互作用，而不是仅考虑近邻相互作用。对叶绿素分子之间的激子偶合进行了理论计算，在二能级近似下获得一个解析解，并得到了在此模型下的吸收光谱和园二色光谱，与实验观察相吻合。2、首次建立光系统II外周天线叶绿素a/b蛋白复合体II型基因Lhcb2表达产物与色素在体外的重组系统。经功能分析证明，Lhcb2基因不仅影响光能的捕获而且还可能参与激发能分配的调节作用。3、解析出了光系统II内周天线叶绿素a蛋白复合体（CP43及CP47）的磁园二色光谱。4、提出了CP43和CP47中色素之间的能量传递机制。5、在国际上首次获得了黄瓜和菠菜膜蛋白-捕光叶绿素a/b蛋白复合体（LHCII）能进行衍射的三维晶体。三、光合放氧的机理研究：1、提出了放氧中心结构和放氧机理的新模型。放氧新机理首次引入水的不对称氧化和结构动态变化及H的间接传递等观点。参考新模型，采用光合放氧中心存在的生物配体或仿生配体与简单的锰化合物组成反应体系，从中获得了11个含有放氧中心结构单元Mn/O/N或Mn/O的模型化合物。2、发现了光系统II 33KD外周蛋白241Trp位于33KD外周蛋白C端疏水区。3、发现光系统II氧化侧存在碳酸酐酶的生化证据，说明241Trp对33KD外周蛋白的结构与功能有特殊的意义。四、叶绿体ATP酶结构与功能的研究1、提出了亚基抑制ATP酶水解和堵塞质子通道的两种功能可能是相互联系的观点。将菠菜叶绿体ATP合酶CF1的五种亚基基因分别插入到质粒pGBT9和PGAD424，双转化入酵母菌株，用酵母双杂交系统检测菠菜叶绿体CF1各亚基间的相互作用。结果显示：与亚基有坚强的相互作用；与，与，与，与亚基间也有稳定的相互作用。2、阐明碳酸氢根促进PSII电子传递的机理。证明亚硫酸氢钠促进光合作用与光合磷酸化有关，喷洒亚硫酸氢钠可以提高产量。五、光合膜重要电子传递体的结构与功能1、证明Cytb6f中的-Car分子，无论是结合态、还是处于自由的状态，都是9-顺式构型的分子，存在于一种不对称的蛋白环境中，它不能有效地向Chl a传递光能，但对Chl a具有明显的光保护功能。2、观察到Cytb6f中Chl a的解离与RieskeFeS蛋白的解离和Cytb6f复合体单体化的关系比较密切，膜脂能够有效的抑制这三个过程的发生，推测膜脂的作用位点可能位于Cytb6f二聚体中单体之间的交界处。膜脂对Cytb6f催化电子传递的活性有明显的促进作用，其效率与膜脂分子的带电性质密切相关。3、解析出Cytb559磁园二色光谱MCD，发现Cytb559白MCD信号是对反应中心相应波段MCD信号的贡献。通过HPLC吸收光谱及共振拉曼光谱，首次证明Cytb-559含Chl a而不含类胡萝卜素。发现细胞色素b-559在光保护中的功能不仅与其高低电势有关，而且与其质子化程度有联系。六、光抑制、光破坏和光保护的分子机理研究：证明强光照射PSII反应中心诱导1O2的产生，而使Pheo受到破坏，并提出了PSII中由质子化半醌自由基与1O2反应，最终生成超氧阴离子自由基O2-的分子机制。七、光合作用分子生物学的研究1、证实了呼吸电子传递和光合循环电子传递在状态调节中起着关键作用。结果还显示细胞中感受光能分布不均匀的位点是在Cytb6f复合物。2、 克隆了编码细胞色素b-559的a和b亚基基因，并在大肠杆菌高效表达。3、工程构建的蓝细菌ChlL基因缺失突变体，不能在黑暗条件下合成叶绿素，但经连续传代培养四年后，又部分恢复了在黑暗中合成叶绿素的能力。经鉴定其中的ChlL基因仍旧是缺失的，因此推断蓝细菌内还可能存在某些未知的叶绿素合成途径。八、主要农作物品种的光合作用特性该项目组对水稻、小麦、大豆、玉米的光合特性进行了系统的研究，发现叶片光合速率的提高与产量的增加成正相关，表明通过遗传改良可以获得叶片高光合速率的品种，为通过提高作物光合效率来增加产量提供了理论依据。根据对农作物不同基因型、生态型光合特性的研究所获得的作物高效光能利用的规律，提出育种的新的工作假说，即：株型（个体和群体外在的光能利用效率）+高光效（光合作用内在的光能转化效率）+杂种优势的利用。九、光合作用光抑制、光破坏和光保护的机理1、证明了光系统II反应中心的可逆失活是一种保护性的能量耗散机制。进一步分析证明光系统II反应中心的可逆失活与天线色素复合体LHCII脱离反应中心有关。2、证明叶黄素循环在防止类囊体膜酸化中起关键作用；证明叶黄素循环抗光破坏的决定因子并不在于玉米黄质的绝对含量，而是与玉米黄质产生的相对速率有关。3、发现衰老小麦叶片对光抑制较为敏感，并证明这种敏感性的增加是由于衰老叶片叶黄素循环代谢功能的增强所致。4、为揭示籼粳稻Dl蛋白光耐性差异的分子机理，克隆了籼稻D1蛋白基因psbA，并进行了核苷酸序列结构分析，根据研究结果推测籼粳稻D1蛋白对光的耐受性差异可能与调控基因表达的上游因子相关。十、非叶器官的光合结构和功能研究表明，几种主要农作物的非叶器官，如大豆豆荚与小麦穗部器官如芒，颖片，内稃和外稃等都具有与叶片相似的良好的光合结构与功能。提高光合效率的常规育种和基因工程研究1、育出几个较目前常规大豆品种的光合效率和产量都有大幅度提高的新品种。2、成功将玉米PEPC基因转入水稻的工程植株的光合特性进行了全面的研究。发现转基因水稻有明显的C4植物光合特性。光饱和点比原水稻品种高，CO2补偿点低，羧化效率高，净光合速率增加，同时抗光抑制能力增强。首次通过杂交将PEPC基因的水稻的一些光合特性传递