基于龙须菜色素突变体的有光学活性藻红蛋白的生物合成机制研究

Phycoerythrin (PE), existing in red algae and some cyanobacteria, is the special light-harvesting protein of algae and has the unique spectral characteristics and important physiological functions. Study of the biosynthetic mechanism of phycoerythrin with optical activity and explanation the effects of different combinations of phycobiliproteins on optical property and photosynthetic efficiency will lay the basis for study the photosynthetic physiology and environmental adaptation of algae. And also, the study provides the theoretical basis for application of phycoerythrin and build of artificial photosynthetic systems. According to the preliminary study of our lab, due to the change of composition of phycobiliproteins, especially the content and spectral change of phycoerythrin, pigment mutants of Gracilaria lemaneiformis presented different colors and different photosynthetic efficiencies. So the pigment mutants are considered to be the good materials for research the phycobiliproteins. This project intends to screen the differentially expressed genes of wild type and pigment mutants of G. lemaneiformis under different lighting conditions. Then heterologous expression system and gene silencing in G. lemaneiformis will be used to identify the functions of the genes. Further, spectral and photosynthetic efficiency of the wild type and pigment mutants under different lighting conditions will be detected. At the same time, the expressions of the genes will be detected. Based on the above results, the biosynthesis mechanism of phycoerythrin with optically activity would be revealed. The relationship of expression of phycoerythrin with photosynthetic efficiency would be interpreted.

藻红蛋白（phycoerythrin，PE）存在于红藻和部分蓝藻中，是藻类特有的捕光蛋白，具有独特的光谱特性及重要的生理功能。研究有光学活性藻红蛋白的生物合成机制，阐释不同藻胆蛋白组合模式对藻类光学特性及光系统活性的影响，将为研究藻类的光合生理及环境适应机制奠定基础，并为藻红蛋白的应用和人工构建光合系统提供理论依据。 项目组前期研究发现，龙须菜色素突变体因藻胆蛋白组成变化，尤其是藻红蛋白含量和光谱特性的改变而呈现不同的颜色，并表现出不同的光系统活性，成为研究藻胆蛋白的好材料。本项目拟对不同光照条件下野生型龙须菜及其色素突变体进行差异表达基因筛查，并利用异源表达及基因沉默确定这些基因在合成有光学活性藻红蛋白中的功能。进一步对不同光照条件下龙须菜及其色素突变体进行光谱分析和光合效率检测，结合基因的表达情况，阐明有光学活性藻红蛋白的生物合成机制及其与光系统活性的关系。

藻红蛋白（phycoerythrin，PE）存在于红藻和部分蓝藻中，是藻类特有的捕光蛋白，具有独特的光谱特性及重要的生理功能。龙须菜（Gracilariopsis lemaneiformis）色素突变体因藻胆蛋白组成，尤其是藻红蛋白含量和光谱特性变化而呈现不同的颜色，成为研究藻红蛋白的好材料。.本项目通过对野生型龙须菜及色素突变体的转录组测序分析，筛查获得了4041条差异表达基因，并对主要差异基因进行了转录分析。克隆获得了龙须菜中藻红蛋白基因peA、peB和peC，藻红胆素合成酶基因pebA，pebB和pebS，两种亚铁血红素氧化酶基因ho-1和ho-2，以及催化藻红蛋白与藻红胆素连接的色基裂合酶基因cpeT。将其构建重组质粒，转化大肠杆菌，并诱导蛋白表达，重组菌株在590nm处检测到了明显的藻红蛋白荧光特征峰，说明龙须菜中藻红蛋白在色基裂合酶CpeT的催化下可以与藻红胆素结合呈现光学活性；通过对突变株的荧光检测，确定CpeT的催化位点是藻红蛋白b亚基158位的半胱氨酸残基。此外，研究结果还表明，藻红胆素的合成可以由PebA和PebB共同催化，也可以由PebS单独催化；亚铁血红素氧化酶HO-1或HO-2可以与铁氧蛋白氧化还原酶PebA和PebB共同催化龙须菜中藻红胆素的合成。结合在不同光照条件下光合色素含量，以及藻红蛋白相关基因的相对表达量，结果表明藻红蛋白合成相关基因的表达是受光诱导的。短期内低光强会促使光合色素的积累和藻红蛋白peA和peB基因表达量的提高，高光强下藻红胆素合成相关的pebA和pebB基因均表现出一定程度的上调。本项目研究了龙须菜中有光学活性藻红蛋白的生物合成机制及其与光合生理的关系，为阐明藻类中独特的光合作用现象提供依据，并为藻红蛋白的应用奠定基础。