衣藻新基因x32在光系统II生物发生中的作用

Photosystem II is the initial and most crucial multisubunit protein complex catalizing the light-driven reactions of water-spliting and primary charge separation and electron transfer. Though the composition and structure of PSII have been understood in great deal, our knowledge on the molecular events of its biogenesis and regulation mechanisms is still limited, especialy regarding the formation and maintenance of the PSII supercomplex. In this research project, a mutant strain (x32) of Chlamydomonas reinhardtii, which exhibits impaired photosynthetic PSI phenotype, will be used throughout the investigations. Firstly, the mutated gene will be isolated by molecular cloning. Secondly, the functional significance will be examined using systems biological means and biochemical analysis. The experimental data to be obtained will bring about novel insights regarding PSII biogenesis and photoprotection as well as valuble gene(s) toward enhanced efficiency of photosynthesis in Chlamydomonas.

处在光合作用起点的光系统II是光合膜上最重要的蛋白复合体，催化光驱动的水裂解放氧反应并介导原初电荷分离和电子传递。过去的研究使人们对PSII的主要组成和结构有所了解，但对该复合体特别是超级复合体形成和/或稳定的分子机理认识还很有限。因此,本项目拟围绕这一重要科学问题,以光合模式生物-莱茵衣藻为材料，从已筛选的光合突变体X32入手,在基因和蛋白水平以及对光逆境等响应等方面进行深入研究，揭示该基因及其编码蛋白在衣藻PSII生物发生及功能调控中的作用。首先,采用已优化的衣藻基因克隆方法,获得靶基因的全长序列。其次，运用生物信息学软件对其进行序列分析和功能预测。进一步采用系统生物学方法和光合生理生化方法, 揭示该基因及其编码蛋白在衣藻光合系统II生物发生及光保护中的重要作用。

莱茵衣藻是研究光合作用和氧化胁迫的重要模式生物之一。本项目瞄准光合作用分子调控机理这一重要的科学问题，采用正向遗传学方法筛选获得了衣藻光合突变体x32并对靶基因的功能及作用方式进行了研究。分子遗传学分析发现突变体x32缺失了cgld1基因。该基因编码的CGLD1(Conserved in Green Lineage and Diatom 1)蛋白属于GreenCut2家族。该蛋白家族是在植物和真核藻类中高度保守的一类蛋白，由597个核基因编码的蛋白组成, 是一个功能未知蛋白。通过系统分析获得了如下主要结果：1）缺失CGLD1后突变体Fv/Fm和Y(II)荧光参数显著低于野生型，光合自养生长和光合放氧受到了严重的影响，77K低温荧光曲线中反应PSII活性的部分也显著低于野生型，这些结果表明PSII活性受到严重影响，而P700荧光动力学曲线并没有变化，表明突变体x32中PSI的活性并没有受到影响；2）通过(BN)/PAGE和免疫印迹分析，突变体x32中PSII超级复合体和核心亚基都有大量的减少，进一步说明缺失CGLD1影响了PSII的活性和功能。3）进一步的实验表明，突变体x32对高光胁迫更加敏感，同时对不同的活性氧ROS有不同的抗性，比如对H2O2和t-BOOH的抗性减少，对NR（中性红）和RB（玫瑰红）这类能诱导单线态氧产生的试剂具有更高的抗性，而且在高光，H2O2，NR和RB这些胁迫条件下CGLD1蛋白的表达都有所提高，这表明CGLD1基因对这些胁迫有所响应。因为GSTS和GXPH基因可以响应单线态氧胁迫，所以本通过论文qRT-PCR检测了这几个基因的表达，结果表明在突变体中单线态氧胁迫条件下GSTS1和GSTS2基因的表达相对于野生型上调较高，表明突变体对单线态氧的抗性可能与GSTS基因的上调表达有关。这些研究结果，不仅拓展了人们对CGLD1基因及蛋白功能的认识，也为揭示光合生物氧化胁迫的抗性机理提供了宝贵的材料。