蓝细菌光敏色素在集胞蓝细菌趋光性与光合作用中的调控作用

Cyanobacteria are the ancestor of oxygen-evolving photosynthesis and mainbody of photosythesis in water environments, and become emphasis of photosynthetic studies, since the coming stresses of foods, energy and environment. We recently found a new type of cyanobacteriohrome: red-green photochromic photoreceptor from Synechocystis PCC 6803. It is reported that cyanobacteriochromes are relevant to cyanobacterial phototaxis, and photoregulating the photosynthesis, so it is expected that the red-green photoreceptors will extensively affect the photoregulation of cyanobacterial photosynthesis. Therefore, we plan to knockout the genes of red-green photoreceptor and interacting proteins from Synechocystis PCC 6803, respectively, and analyze the moelcular bases of phenotypes of the mutants, including the transcription, interactions between photoreceptors and regulators, interactions between regulators and DNAs of the related operons. Under various light conditions, changes of phototaxis, capacity of oxygen-evolution and nutrient uptake, fluorescence and kinetics of photosystems will be assayed of those mutants, to correlate the structure and functions of the red-green photoreceptor and related regulators, to realize the photoregulation of energy transfer, electron transfer and photosynthetic reactions, and to explain the balance between phototaxis and photosynthesis. The studies are important to elucidate the mechanism of photoregulation of photosynthesis, and shed new light on the optimization of photosynthesis whereby improving the agricultural crops production.

蓝细菌是放氧光合生物的祖先，水体中光合作用的主体，鉴于能源、食物和环境问题的迫切，其光合作用研究日益重要。我们在研究集胞蓝细菌光合作用时发现了一个新型蓝细菌光敏色素：红绿色光受体，已报道蓝细菌光敏色素响应光信号并调节蓝细菌的趋光性，趋光性与趋化性密切相关，共同调节光合作用。故本项目将分别从集胞蓝细菌敲除该红绿色光受体及其相互作用蛋白质，比较各突变体与野生型蓝细菌趋光性变化，分析相关基因的转录变化，研究红绿色光受体调控进程中蛋白质相互作用，蛋白质与启动子DNA的相互作用。研究不同光照条件下，各突变体趋光性变化，光合放氧和养分摄取性能的变化，低温荧光发射光谱和叶绿素荧光动力学变化，由此得到能量传递、电子传递和光合作用效率的光调控规律，发现红绿色光受体调控的趋光性对蓝细菌光合作用的作用规律。该研究对认识光合作用光调控机制，对调节光效应提高农作物光合效率，以此提高农业生产力具有重要意义。

蓝细菌是放氧光合生物的祖先，水体中光合作用的主体，鉴于能源、食物和环境问题的迫切，其光合作用研究日益重要。在研究集胞蓝细菌光合作用时发现了一个新型蓝细菌光敏色素：红绿色光受体Slr1393，已报道蓝细菌光敏色素响应光信号并调节蓝细菌的趋光性，调节光合作用。故本项目从集胞蓝细菌敲除该红绿色光受体Slr1393，研究了所得诱变体的光合效应。筛选与Slr1393相互作用的蛋白质，其中Slr2111具有重要功能意义。Slr1393具有三个串联的GAF结构域（GAF1、GAF2、GAF3），GAF3与Slr2111形成1:1复合物，但GAF3色素化后就不与Slr2111相互作用，以此Slr2111调节Slr1393色素化。Slr2111含CBS（胱硫醚-β合成酶）结构域及AAT（天冬氨酸转氨酶）结构域，CBS和AAT结构域均为与Slr393相互作用所需。Slr2111的2个串联CBS具有结合腺苷小分子的功能，这样Slr2111与集胞蓝细菌光合作用能量水平互动，结合腺苷能调整Slr2111自身构象。Slr2111结合AMP后与GAF3结合变强，影响Slr1393色素化；Slr2111结合ATP后与GAF3结合变弱，利于Slr1393色素化。初步揭示了红绿色光受体Slr1393对蓝细菌光合作用的作用规律。发现新型蓝细菌光合作用氧化还原调控光受体All4978和All7016，发现另一个与蓝细菌光合作用相关的蛋白Slr0280，这些研究对认识蓝细菌光合作用的光调控机制和氧化还原调控机制等具有重要意义。随着蓝细菌光合作用光受体色素化研究的深入，发现了光谱响应进入远红色范围的机理，解析出色素化的重要催化酶CpcT和CpcE/F的结构，创立了新型北斗远红色荧光探针。