光合作用是植物獲取能量的核心過程 。植物通過調(diào)節(jié)光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）之間的激發(fā)能分配，以適應(yīng)外界光質(zhì)和光強的變化。這一動態(tài)調(diào)節(jié)過程被稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換（state transition），其核心機制是通過調(diào)控光捕獲復(fù)合體II（LHCII）的可逆磷酸化來平衡光系統(tǒng)能量輸入。盡管狀態(tài)轉(zhuǎn)換在植物光適應(yīng)中具有重要作用，但其對光合蛋白穩(wěn)態(tài)和周轉(zhuǎn)的影響機制仍不清楚。

近日，南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李磊教授團隊在PlantPhysiology發(fā)表了題為Turnover rates of photosynthetic proteins indicate a correlation with photosynthetic capacity under state transitions的研究論文，利用穩(wěn)定同位素15N標(biāo)記技術(shù)，揭示了狀態(tài)轉(zhuǎn)換對光合蛋白穩(wěn)態(tài)調(diào)控的新層面。

研究團隊選取停留在狀態(tài)I的蛋白激酶突變體 stn7-1、停留在狀態(tài)II的蛋白磷酸酶突變體tap38-1，以及野生型擬南芥，通過1?N漸進標(biāo)記完整植物和蛋白質(zhì)質(zhì)譜定量解析，比較了三種類囊體光合蛋白的周轉(zhuǎn)速率。

研究發(fā)現(xiàn)，在狀態(tài)I下（LHCII 不發(fā)生磷酸化），LHCII主要與PSII結(jié)合，并激活PSII核心蛋白D1的周轉(zhuǎn)；在狀態(tài)II下（LHCII被磷酸化），p-LHCII主要與PSI結(jié)合，并促進包括PSI、NDH復(fù)合體及ATP合酶在內(nèi)的蛋白周轉(zhuǎn)。

具有代表性的D1、PSAB和LHCII亞基的周轉(zhuǎn)速率在不同狀態(tài)下與野生型相比約有20%的差異，與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的p-LHCII所占份額接近，表明狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的激發(fā)能分配與光合蛋白周轉(zhuǎn)存在緊密的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合葉綠素?zé)晒鉁y定結(jié)果，研究進一步發(fā)現(xiàn)，光合電子傳遞鏈蛋白的周轉(zhuǎn)速率與其接受的電子流強度呈顯著正相關(guān)。有趣的是，雖然突變體中主要光合蛋白的豐度未出現(xiàn)明顯變化，但其周轉(zhuǎn)速率差異清晰可辨，顯示蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)分析是一種靈敏的能量分配指示手段，為研究動態(tài)的光合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)控和能量分配的長期效應(yīng)提供了新策略。

在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，PSII核心蛋白D1與其鄰近亞基表現(xiàn)出相反的周轉(zhuǎn)趨勢，提示D1修復(fù)與PSII復(fù)合體穩(wěn)定性密切相關(guān)。此外，細胞色素b6f復(fù)合體的b6亞基（PetB）與f亞基（PetA）在狀態(tài)I和狀態(tài)II分別與PSII核心蛋白D1、以及PSI、NDH復(fù)合體和ATP合酶的周轉(zhuǎn)變化呈協(xié)同性，暗示該復(fù)合體在類囊體不同區(qū)域的功能耦合特征。

綜上，該研究首次從蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)層面揭示了光合電子傳遞鏈能量分配與蛋白穩(wěn)態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，為理解植物如何通過動態(tài)的蛋白穩(wěn)態(tài)調(diào)控適應(yīng)光環(huán)境變化提供了新的視角。

南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李磊教授為通訊作者，博士生李圓圓、梁寒和侯宇奇為主要完成人。研究得到西澳大學(xué)Harvey Millar教授與Owen Duncan博士的協(xié)助，并感謝慕尼黑大學(xué)Dario Leister教授、天津師范大學(xué)丁蘭平教授、中國科學(xué)院植物研究所楊文強研究員及韓菲的支持。項目由國家自然科學(xué)基金委員會、天津市科技局、雜交水稻全國重點實驗室開放性課題及南開大學(xué)細胞應(yīng)答交叉中心資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf638