南极冰藻LhcSR蛋白的光保护功能及其对极端海冰生境的适应机制

Ice algae is the key species of Antarctic sea ice ecosystem.In the extreme sudden changes environment of Antarctic sea ice, special, efficient photoprotective mechanism is key to maintain the Antarctic ice algae photosynthesis, but this protective mechanism is unclear. Recent studies have shown that the LhcSR protein of temperate green algae play a key role in the process of photoprotection, but no research on the LhcSR protein in low-temperature algae at present. We have obtained the lhcSR full-length genes from the Antarctic ice alga Chlamydomonas sp. ICE-L, and their expression and regulation were different from temperate algae, and for the first discovered LhcSR2 may be involved in the process of light-harvesting，which suggest the LhcSR protein were adaptive evolution in order to maintain function in the Antarctic sea ice habitats. Therefore, this study will continue in-depth study the LhcSR protein expression and regulation in the high light, low light，low temperature and high salt stress conditions by Western blot, analyze the physiological and biochemical characteristics of the pigment-protein complexes by pigment-protein in vitro recombinant techniques, and verify the photoprotective function using gene knockout technology , thus in-depth study Antarctic ice algae LhcSR light protective function and adaptation mechanism in the extreme changes of ice environment at the protein level. This not only helps to clarify the mechanism of the light protection of the Antarctic ice algae, and also development and perfection the LhcSR protein function, and provide useful inspiration to improve the efficiency of plant photosynthesis.

冰藻是南极海冰生态系统的关键物种，特殊、高效的光保护机制是海冰环境中南极冰藻维持光合作用的关键，目前还不清楚。最近研究表明常温藻中LhcSR蛋白在光保护过程中起关键作用，但还没低温藻中LhcSR蛋白的相关研究。我们已在南极冰藻中获得lhcSR全长基因，发现其表达调控与光保护密切相关，但与常温藻有所不同；此外，还首次发现LhcSR2可能参与捕光过程，表明南极冰藻LhcSR蛋白为了能在海冰生境中发挥功能，进行了适应性进化。因此，本研究将进一步采用蛋白免疫印迹研究强光、弱光、低温和高盐胁迫条件下LhcSR蛋白表达调控，利用色素蛋白体外重组技术分析其色素蛋白复合体的生理生化特性，应用基因敲除技术验证其功能，从而在蛋白水平深入研究极端骤变海冰环境中南极冰藻LhcSR的光保护功能及适应机制。这不仅有助于阐明南极冰藻光保护的分子机制，还可发展和完善LhcSR蛋白功能研究，为改善植物光合效率提供有益启示。

冰藻是南极海冰生态系统的关键物种，特殊、高效的光保护机制是海冰环境中南极冰藻维持光合作用的关键，目前还不清楚。最近研究表明常温藻中LhcSR蛋白在光保护过程中起关键作用，但还没低温藻中LhcSR蛋白的相关研究。为此，我们按计划完成了南极冰藻LhcSR蛋白的光保护功能及其对极端海冰生境的适应机制研究，取得较好的研究成果。（1）通过测定PSII的最大光化学效率和非光化学猝灭（NPQ），研究了南极冰藻在各胁迫条件下的生理状态；发现强光、紫外和高盐可引起南极冰藻胁迫响应，而NPQ能将更多的激发能以热能形式耗散掉，减少过量激能造成的潜在危害。（2）克隆得到南极冰藻光保护基因LhcSR1和 LhcSR2，对其cDNA和蛋白质序列进行分析；预测了南极冰藻LHCSR1和 LHCSR2蛋白相对分子质量和等电点，分析了LHCSR1和LHCSR2蛋白的高级结构，表明其属于LHC蛋白家族；经系统进化树分析可知南极冰藻LHCSR1和LHCSR2存在于绿藻分支，并在光合系统中与叶绿素a/b相结合。（3）分析研究了南极冰藻LhcSR1和LhcSR2基因及其蛋白在非生物胁迫条件下的表达模式，首次发现LhcSR2可能参与捕光过程，表明南极冰藻LhcSR蛋白为了能在海冰生境中发挥功能，进行了适应性进化；在胁迫条件下，较高水平的 NPQ与LhcSR基因的上调相协同，表明LhcSR参与非光化学淬灭NPQ，LHCSR1在光保护作用中起主要作用。（4）成功构建了南极冰藻LHCSR1和LHCSR2蛋白原核表达体系，获得了目的蛋白；分离纯化了南极冰藻叶绿体，并研究其生理生化特性及色素蛋白复合物，发现富含叶绿素b的集光色素蛋白复合体（LHC）对于南极冰藻的光合适应性发挥着重要作用；LHCⅡ在PSⅡ复合物上结合的紧密程度会影响南极冰藻对于低温弱光环境的适应性，LHCⅡ结构变化是南极冰藻适应极端海冰生境的重要保障。（5）明确了叶黄素循环在南极冰藻光保护机制中的重要作用；在强光和高盐胁迫条件下，叶黄素循环的脱环氧化程度与NPQ热耗散相一致，表明叶黄素循环在光保护中起重要作用。通过上述研究，我们初步阐明了极端海冰生境中南极冰藻LhcSR1/2蛋白的光能调节功能及其参与的光保护机制，这不仅有助于阐明南极冰藻光保护的分子机制，还可发展和完善LhcSR蛋白功能研究，为改善植物光合效率提供有益启示。