中國農業大學PNAS解析植物重要光系統

　　來自中國農業大學、加州大學伯克利分校的研究人員證實，在擬南芥中光系統II ( Photosystem II，PSII)反應中心蛋白D1的C端加工對PSII裝配及發揮功能至關重要。這一研究發現在線發表在9月16日的《美國科學院院刊》(PNAS)雜志上。

　　中國農業大學食品科學與營養工程學院的黃衛東(Weidong Huang)教授、加州大學伯克利分校的欒升(Sheng Luan)教授及Bob B. Buchanan教授為這篇論文的共同通訊作者。黃衛東教授的主要研究方向是葡萄逆境生理和與分子生物學、葡萄酒化學化學都市、葡萄次生代謝與調控、酵母次生代謝生理、食品產業和農業園區發展規劃。欒升于2000年起在加州大學伯克利分校植物學系任副教授，終身教授。主要研究方向為植物光合作用，膜轉運體及調控;植物信號轉導網絡;植物逆境和作物基因組學等。曾獲杜邦生物技術獎、NASA/DOE/NSF青年學者獎。

　　在光合作用中，光能被蛋白結合色素吸收以及通過激子機制轉移到光合作用反應中心，在反應中心轉換為化學能，為生物體的新陳代謝提供能量。在幾乎所有的生物中，這些過程發生在葉綠體的類囊體膜上。其中有兩個不同的光能轉化系統：一種是以鐵硫蛋白作為穩定電子受體稱為光系統I(PSI);另一種是以酮作為穩定電子受體稱為光系統II(PSII)。PSI和PSII是生物光能轉換的重要場所，涉及水裂解放氧反應和原初電荷分離等關鍵步驟，是決定光合作用效率的重要部位。

　　PSII是由20多個蛋白亞基組成的蛋白復合體，這些蛋白由核基因和葉綠體基因共同編碼。由于PSII結構的復雜性，PSII的組裝是多步驟的，并得到輔因子和調控蛋白的協助。PSII的光化學反應中心由D1和D2蛋白構成，它們為各種輔助因子提供結合位點，在維持PSII反應中心構象穩定中起重要作用。

　　在大多數的放氧光合成生物中， D1蛋白首先被合成為帶有一個C-末端尾巴的前體(pD1)，在功能性的PSII組裝之前它必須借助于稱作為Ctp的肽鏈內切酶切割C-末端尾巴，成為成熟的D1。正常情況下，D1蛋白的降解速度小于合成速度，一旦暴露于強光下或環境脅迫相偶聯時，D1蛋白的降解速度會大于合成速度，導致PSII反應中心的破壞。這個特性使得PSII對于強光特別敏感。因此，D1蛋白的降解、合成和組裝是維持PSII復合體穩定一個非常重要的方面。

　　相比于藍藻，研究人員對于陸生植物中Ctp酶和D1 C末端加工的影響所知有限。以往的研究曾報告從豌豆和菠菜中純化出了CtpA樣蛋白。菠菜研究進一步表明，大腸桿菌表達的重組Ctp蛋白顯示出針對pD1 的活性。但由于遺傳學方法匱乏，對于在這些及其他陸生植物中Ctp酶和D1 C末端加工的功能影響仍知之甚少。

　　在這項新研究中，研究人員利用遺傳學方法在擬南芥中鑒別出了一個編碼CtpA酶的基因At4g17740，并證實它是PSII功能和葉綠體發育的必要條件。他們發現，擬南芥CtpA對于功能性PSII核心復合體、二聚體及PSII超復合體的組裝均至關重要。此外，他們還證實了該酶還對于光抑制過程中 PSII的損傷-修復循環起重要作用。

　　由于新研究揭示了陸生植物中D1成熟與PSII超復合體組裝之間存在的一個意外關聯，從而為探索陸生植物中PSII形成的最后步驟：獲光復合物和PSII核心復合物的結合機制提供了一條途徑。