海洋聚球藻CC9311 IV型“光适应”现象分子机制的研究

It is found in recent years that some marine Synechococcus adjust their PUB/PEB ratio in response to light quality (blue/green), thus improve light capture efficiency for photosynthesis. Such phenomenon is of great physiological significance with respect to adaptation of Synechococcus to marine light environments. .In this proposal, marine Synechococcus CC9311 is used with an attempt to elucidate molecular mechanism under type IV chromatic adaptation. Firstly, we plan to locate the binding sites of PUB and PEB in primary structure of phycoerythrin, and predict the lyase-isomerase genes involved in the chromophorylation of phycoerythrin. Secondly, we explicit its role in chromophorylation of phycoerythrin by gene disruption and chromophore binding technology. Finally, we plan to examine the effects of light quality on expression of lyase-isomerase genes, and analyze the relationship between expression of lyase-isomerase genes and PUB/PEB ratio in marine Synechococcus CC9311. We aim to, based on these results, discover the correlation among light quality, expression of lyase-isomerase and phycoerythrin PUB/PEB ratio.The study will be helpful to elucidate the mechanism under which Synechococcus adapt to marine environment.

近年来发现，某些海洋聚球藻藻红蛋白的色基构成（PUB/PEB比）和吸收光谱，随着环境光质（蓝光-绿光）变化而相应改变，以有效的捕获太阳光能，提高光合作用效率。该现象对于聚球藻适应海洋中独特的光照环境具有重要生理意义。.为揭示其分子机制，本研究以海洋聚球藻CC9311 为材料，研究藻红蛋白亚基上PEB、PUB相互转换的色基结合位点，分析催化色基与该位点共价结合的藻红蛋白裂合异构酶；通过构建裂合酶基因缺失突变体，并结合大肠杆菌中色基组装技术，对其进行功能验证；在此基础上，研究光质对裂合异构酶表达的调控作用，分析裂合异构酶基因表达与藻红蛋白色基构成之间的关联，探明光质━裂合异构酶基因表达━藻红蛋白色基构成与光谱学性质之间的内在联系。.本研究对于深入揭示聚球藻适应海洋中特殊环境的机制具有重要理论价值。

某些海洋聚球藻胆蛋白的色基构成（PUB/PEB比），随着环境光质（蓝光-绿光）变化而相应改变，从而有效的捕获太阳光能，提高光合作用效率，这种现象称为IV型“光适应”（chromatic adaptation）现象，它对于聚球藻适应海洋中独特的光照环境具有重要生理意义。.为揭示其分子机制，本项目以聚球藻CC9311为研究材料，利用电击转化法，建立了聚球藻CC9311遗传转化体系，构建了藻胆蛋白裂合（异构）酶基因缺失突变体；分析了藻胆蛋白生物合成基因簇，并推测出可能的裂合（异构）酶基因；表达了多个藻胆蛋白裂合异构酶和藻胆蛋白亚基基因，通过大肠杆菌中藻胆蛋白组装体系，结合体外活性分析，鉴定了编码裂合（异构）酶的基因mpeZ。利用荧光定量PCR分析光质对mpeZ的表达调控作用，在蓝光下，mpeZ转录水平上调，PUB/PEB比上升；在绿光条件下，mpeZ转录水平下降，PUB/PEB比下降。这些研究结果表明mpeZ参与 IV型“光适应”（chromatic adaptation）过程，即光质通过影响mpeZ的转录水平，从而实现对藻胆蛋白色基构成的调控。. 本研究初步揭示了聚球藻CC9311 IV光适应现象的分子机制，为深入揭示聚球藻适应海洋中特殊环境的机制具有重要参考。同时，新型裂合（异构）酶的发现，也为重组藻胆蛋白的生物合成，丰富重组藻胆蛋白的品种，拓展重组藻胆蛋白的光谱范围成为可能。有望开发出新一代重组藻胆蛋白荧光探针，将在免疫荧光分析和检测等领域获得广泛应用。