蓝藻光状态转换中藻胆体迁移尺度和速率以及光系统I单体化分子机制

光状态转换是40年前发现的在"单色"光照射下光合生物自发调控光系统II和光系统I激发能分配平衡的行为，是光合放氧生物特有的功能。蓝藻是模式放氧光合生物，本研究组前期澄清了蓝藻状态转换"藻胆体流动"和"能量溢出"机制多年争论，进而探索状态转换过程中功能分子（藻胆体、质体醌分子和光系统I）运动性的实验探测，取得一系列研究结果，并获得一些重要启示和发展了特色的研究方法。本项目拟利用前期基因设计并培植成功的变种蓝藻，以定位标记在光系统II上的黄荧光蛋白（YFP）为"固定参照标"，探测蓝藻光状态转换过程中藻胆体迁移距离；研究选择持续激发藻胆体下各个功能体荧光"阻尼震荡"频率随光强变化的规律，揭示光状态转换过程中藻胆体运动速率；基于前期发现蓝光诱发光系统I单体化并向光系统II的"反向能量溢出"，研究蓝光照射蓝藻细胞诱发光系统I单体化的分子机制。

光状态转换是放氧型光合生物在多变的光环境下调控两个光系统激发能分配平衡、实现光合作用高效率的根本机制。在前期研究中，我们首先澄清蓝藻光状态转换中“藻胆体流动”和“能量溢出”（光系统II向光系统I的能量转移）两种基本模型的长期争论问题。在该项目的资助下，取得了重要研究进展，主要研究结果如下：利用基因变种蓝藻选择标记光系统II碳末端的黄荧光蛋白为固定参照标，通过探测光状态转换过程中藻胆体迁移导致的黄荧光蛋白向藻胆体杆与核传能的定量变化，测算藻胆体迁移的距离约为9纳米；发现橙光光强在10－120E大范围变化下，光状态转换功能守恒而速率与光强成正比，否定了前人提出的蓝藻光状态转换的生理意义仅限于极低光强（≤2E）的观点；发现蓝光持续照射下，藻胆体流动和光系统I向光系统II能量溢出（我们称其为“反向能量溢出”）相继发生，协同调控激发能分配的平衡，吸收和低温荧光动力学清楚表明“反向能量溢出”由光系统I的单体化诱发，同时在近红外区，一个新的吸收带（960nm）出现，蓝光持续照射下，该吸收带动力学与反向能量溢出动力学一致；960nm的吸收带指认为类胡萝卜素自由基阳离子的吸收，蓝光诱发光系统I内产生类胡萝卜素自由基阳离子，推测正电荷间的静电排斥力驱动光系统I单体化。目前，正在尝试借助顺磁共振或时间分辨光谱技术探测分离的光系统I样品中类胡萝卜素自由基阳离子的形成。