高等植物捕光天线LHC-II中非光化学猝灭的超快动力学机制

Based on the thylakoid membrane containing photosystem II and the isolated major light-harvesting complex, i.e. LHC-II, by treatment with proton decoupler, acid, electron decoupler, and detergent respectively, we could obtain samples with various conditions of protonation in protein, electron transfer situation and aggregation states. By the use of PAM the qE level could be correlated with various samples under various situation correspondingly. By the use of spectroelectrochemical measurement the spectral features of free radical anion of chorophylls and free radical cation of carotenoids could be observed and assigned. The ultrafast time-resolved absorption spectroscopy will be used to detect the spectral dynamics of various samples particularly in the near-infrared region with high sensitivity. Assisted by the characterization of transient species the dynamic model could be built up. Based on the analysis and comparison of all informations we try to clarify whether the electron transfer mechanism between carotenoid and chlorophylls contributes to the nonphotochemical quenching (NPQ) in high plant. This study could provide us more deeply understanding on photoprotective mechanism of natural and artificial photosynthetic systems.

本项目拟以富含光系统II的菠菜类囊体膜，及其分离的外周捕光天线LHC-II为研究对象，通过调控脱质子试剂、酸、电子解偶联剂和表面活性剂，获得具有不同质子化状态、电子传递状态、以及聚集状态的样品(类囊体膜、LHC-II)；通过PAM（便携式调制叶绿素荧光仪）荧光测量建立这些状态与qE（非光化学猝灭的能量依存组份）程度的对应关系；通过光谱电化学手段确定相应光合色素(类胡萝卜素、叶绿素)的自由基阴、阳离子特征光谱。在此基础上，采用近红外区、高检测灵敏度的飞秒时间分辨吸收光谱，研究不同状态下样品中激发态能量传递和电子转移超快过程，结合关键瞬态物种的光谱指认建立动力学模型，阐明光系统II捕光天线LHC-II中"类胡萝卜素-叶绿素电荷转移猝灭机制"对非光化学猝灭(NPQ)的贡献。研究成果将为深入认识天然和模拟光合体系的光转化和光保护机理提供重要科学基础。

高等植物光系统II非光化学荧光猝灭（NPQ）是一种复杂的光保护机制，其微观分子机制仍未阐明。本项目主要采用多种稳态和时间分辨光谱技术开展了如下研究工作：（1）类胡萝卜素在NPQ机制中扮演重要的角色，本研究采用纳秒闪光光解技术研究了不同类胡萝卜素三重激发态动力学的溶剂效应，结果表明无论是含共轭羰基的管藻素、管藻黄素，还是不含氧的β-胡萝卜素在极性和非极性溶剂中均表现出显著不同的激发态动力学机制，在极性溶剂中，类胡萝卜素均表现出较为复杂的光化学行为，这为阐明不同类胡萝卜素在复杂蛋白环境中光保护机制提供了重要指导；（2）光合膜体系中色素-蛋白复合物的二维阵列结构和聚集状态是决定其激发态能量传递和耗散机制的重要因素之一，本研究将紫色光合细菌外周天线蛋白LH2组装在人工膜体系中，进而研究环境因素等对色素-蛋白复合物光谱性质的影响，结果表明氢离子和金属离子主要通过和膜蛋白亲水区关键氨基酸发生相互作用从而影响到相邻色素辅基的光谱性质；（3）天然光合膜蛋白中类胡萝卜素常常以各种形态的聚集体或扭曲构型存在，本研究开展了不同类胡萝卜素聚集体的制备及其光物理性质研究，结果表明类胡萝卜素聚集体具有单重激发态均裂（生成两个三重激发态）的能力，这为寻找高光量子效率的光电转换器件材料提供了重要理论和实践指导； （4）光合膜蛋白的酸化和聚集是影响NPQ的重要因素之一，本研究对不同酸化和聚集状态下的假根羽藻LHCII进行激发态超快动力学研究，结果表明酸化和聚集可以造成一定程度NPQ的发生，主要通过改变了复合物中色素的能量传递和耗散途径；（5）采用纳秒闪光光解技术对比研究了不同氧化还原状态下菠菜和假根羽藻PSI核心复合物激发态动力学，结果表明不同氧化-还原状态导致不同的光保护机制和规律。本项目的执行为加深理解高等植物光系统II非光化学荧光猝灭机制提供了多方面的探索和数据支持。