集胞藻PCC6803离子通道蛋白SynBest与SynK协同调节光合功能的分子机理研究

Photosynthetic electron transport results in the accumulation of protons in the thylakoid lumen, generating a transmembrane proton gradient (ΔpH) and an electric potential gradient (ΔΨ). Both of them are components of proton motive force (pmf). It have been demonstrated that photosynthetic organisms have to dissipate ΔΨ via ion transporters to influx of chloride and efflux of potassium across the thylakoid membrane during photosynthesis. This is different with the fact in mitochondrial membrane, in which dissipated. Dissipation of ΔΨ is essential for photoprotection of photosynthetic machinery. Otherwise, photoinhibition will be occurred. However, the molecular mechanisms underlying the photoprotection by ΔΨ dissipation is unclear. In this project, we have constructed a double mutant in which the chloride channel SynBest and potassium channel SynK are both deleted in Synechocystis sp. PCC 6803. The overall aim of this proposal is to determine how and which photosynthetic complex or process is protected by ΔΨ dissipation. The results will unravel the molecular mechanism of ion transport through thylakoid membrane during photosynthesis, as well as provide new insights into the difference between the regulation of photosynthetic and respiratory electron transport.

光合电子传递诱导质子在类囊体囊腔内累积，形成跨膜质子梯度（ΔpH）和跨膜电位梯度（ΔΨ），两者共同组成跨膜质子动力势（pmf）。研究表明，光合作用过程中光合生物必须利用一系列的离子通道蛋白将钾离子排出类囊体囊腔、同时将氯离子吸入囊腔，从而降低ΔΨ。这与线粒体的呼吸电子传递过程中不需要降低ΔΨ的现象正好相反。降低ΔΨ对于光合生物保护光合器官具有重要的调控作用，否则极易产生光抑制现象，但光合生物通过降低ΔΨ来保护光合器官的分子机制还不清楚。本研究以光合原核生物集胞藻6803为材料，构建了缺失钾离子通道蛋白SynK和氯离子通道蛋白SynBest的双突变体，从遗传学和植物生理学角度探讨ΔΨ无法降低对光合作用的影响，阐明ΔΨ降低对于保护光合膜上的哪一个关键复合物或哪一个光合过程至关重要。相关研究不但可以揭示光合原核生物跨膜电位调节的生物学意义，还可以充分认识光合电子传递与呼吸电子传递调节机理的差别。

光合电子传递诱导质子在类囊体囊腔内累积，形成跨膜质子梯度（ΔpH）和跨膜电位梯度（ΔΨ），两者共同组成质子动力势（pmf）。研究表明，光合作用过程中光合生物必须利用一系列的离子通道蛋白将钾离子排出类囊体囊腔，同时将氯离子吸入囊腔，从而降低ΔΨ。降低ΔΨ对于光合生物保护光合器官具有重要的调控作用，否则极易产生光抑制现象，但光合生物通过降低ΔΨ来保护光合器官的分子机制还不清楚。.本研究以光合原核生物集胞藻6803为材料，构建了缺失钾离子通道蛋白SynK和氯离子通道蛋白SynBest的双突变体，从遗传学和植物生理学角度探讨ΔΨ无法降低对光合作用的影响，阐明ΔΨ降低对于保护光合膜上的哪一个关键复合物或哪一个光合过程至关重要，从而阐明集胞藻6803跨膜电位调节的分子机理和生物学意义。 .研究表明，SynBest和SynK蛋白的缺失显著影响光系统II（PSII）的功能。在低光（5 μmol photons m-2 s-1）生长条件下，野生型和ΔSynBest、ΔSynK以及ΔBS突变体在生长速率及表型上没有明显变化。然而，在正常光下（50 μmol photons m-2 s-1）单突变体ΔSynBest、ΔSynK生长速率及表型没有明显变化，但ΔBS生长速率显著降低且呈现光漂白表型，这种变化趋势在高光（150 μmol photons m-2 s-1）下更为明显。免疫印迹结果表明，正常光下ΔBS的捕光天线藻胆体蛋白含量降低，其他类囊体膜蛋白复合物的含量没有发生变化，77K低温荧光光谱和放氧速率测定结果却显示PSII活性下降，放氧速率降低。最终我们利用热释光技术测定PSII的活性，结果显示，高光处理24小时的双突变体材料中S2QA-的电荷重组数量的减少，S2QB-的电荷重组活化能升高。B带周期性震荡实验分析表明，放氧复合物中锰离子簇的S态周转受到影响，这说明ΔBS中ΔΨ的耗散对于保护PSII放氧复合体的锰离子簇具有重要的功能。.综上所述，我们的结果显示集胞藻6803 SynBest作为一个Cl-通道蛋白，和K+通道蛋白SynK蛋白协同耗散光合跨膜电位，在保护PSII放氧复合体发挥着关键的作用。本研究结果对于充分理解光合作用质子动力势调节的分子机制和生物学意义具有重要的科学意义。