作者简介

赵进东 院士

中国科学院

植物生理学及藻类学专家。1982 年毕业于西南师范大学；1990 年在美国德克萨斯大学获博士学位；1994 年至今在北京大学任教。2007 年当选为中国科学院生物学及医学学部院士。现为北京大学生命科学学院教授、长江学者。

长期从事藻类生物学研究；对蓝藻细胞分化和格式形成有系统研究，尤其对蓝藻异型胞分化中的信号转导和基因表达调控有深入研究；其研究揭示了钙结合蛋白和钙离子信号在蓝藻细胞分化中起到的重要调控作用；对蓝藻藻胆体吸收光能在两个光系统间的分配与调节开展了系统研究；在光合作用研究领域取得突破性进展。

研究背景

藻胆体 (Phycobilisomes, PBS) 是由藻胆蛋白和连接蛋白组成的超分子色素-蛋白质复合物，它们是蓝藻中收集光能的主要天线复合物。植物叶绿体中的氧化还原酶 (FNR) 具有两个结构域：黄素腺嘌呤二核苷酸 (Flavin Adenine Dinucleotide, FAD) 结合结构域和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide, NAD) 结合结构域；除以上两个结构域外，蓝藻的 FNR 还包含一个  CpcD 结构域。由于其 N 端存在的 CpcD 结构域，一些蓝藻 FNR 附着在 CpcL-PBS 和 CpcG-PBS 杆上。目前，FNR 与 PBS 结合的生理作用仍未知。

研究内容

本研究构建了突变体 dF338，它包含一个缺乏聚球藻 N 末端 CpcD 结构域的 FNR PCC 7002。从 dF338 分离的 CpcG-PBS 不含 FNR；dF338 在光自养条件下正常生长，在光异养条件下几乎不生长。CpcL (CpcG2) 突变体在光异养条件下生长极缓慢，而 CpcG (cpcG1) 突变体可光异养生长 (其  PBS 棒不能附着到 CpcG-PBS 的核心上)。

研究过程

※ 构建突变体

本研究构建了一个突变体 dF338，它包含一个缺乏聚球藻 N 末端 CpcD 结构域的 FNR PCC 7002。 

※ 蛋白质提取&免疫印迹

本研究使用 Milipore Amicon Ultra 离心过滤器对 PBS 进行超滤脱盐；隔离PSI (Photosystem I) 用于 EM 分析；用 15% 十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳 (Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis, SDS-PAGE) 分离蛋白质；将凝胶中的蛋白质进行免疫印迹分析；用蛋白质测序仪 ABI491 来测定蛋白质的 N 端序列。

※ 荧光测量&P700 测量

本研究使用 Dual-PAM-100 仪器测量 Chl (Chlorophyll) 荧光在光照后的上升度；使用 Dual-PAM-100 仪器测量 PSI 的 P700。

研究结果

※ CpcD 域负责 FNR 与 PBS 的关联

本研究用 SDS-PAGE 分析从野生型菌株 (Wild-Type Strain, WT)、dF338 和 ΔCpcG2 中分离出的 PBS。研究表明 (图 1)，来自 WT 和 ΔCpcG2 的条带与免疫印迹中的抗 FNR 抗体发生交叉反应 (图1A)；在 dF338 中，免疫印迹仅检测到 35 kDa 的蛋白质 (图 1B)；FNRL 存在于 WT 和 ΔCpcG2 的膜和可溶组分中，但不存在于 dF338中 (图 1C 和 1D)。研究还表明 FNRS 存在于 WT、dF338 和 ΔCpcG2 中。在可溶组分中，WT 和 ΔCpcG2 中FNRS 比膜组分更多，并通过免疫印迹检测到两条带，表明在 WT 和 ΔCpcG2 中的可溶组分中可能存在两种 FNRS 亚型。

图 1. 来自不同菌株氧化还原酶的 SDS-PAGE 和免疫印迹分析。

※ 菌株 dF338 能够执行状态转换

本研究预测 FNR 与 PBS 连接在状态转换中起作用。研究表明 (图 2)，测量 WT 和 dF338 的 77 K 荧光发射光谱 (图 2A)，表明 dF338 的 PSII 到 PSI 化学计量与 WT 相同；在状态 I 或状态 II 条件下用 PBS 吸收光测量 77 K 荧光发射光谱，表明 dF338 菌株状态转换未受损 (图 2B 和 2C)；DCMU 存在下的室温荧光诱导也表明 dF338 状态转换未受损。本研究还在绿灯下测量了 dF338 的生长速率，发现它们与 WT 的生长速率几乎相同，表明 FNR 与 PBS 连接不太可能与状态转换有关；测量了 ΔcpcG2 在绿光条件下的室温荧光诱导和生长曲线，ΔcpcG2 与 WT 的结果几乎相同，表明 CpcL-PBS 不参与状态转换。

图 2. 野生型 (WT) 和 dF338 的 77 K 荧光光谱。

※ 菌株 dF338 的光异养生长受到损害

本研究测量了 dF338 和其他几种菌株在光自养和光异养条件下的生长。研究表明 (图 3)，菌株 dF338 和 ΔcpcG2 在白光的光自养条件下的生长与 WT 非常相似，但它们在光异养条件下的生长比 WT 慢得多；ΔcpcBA 和 ΔcpcG1 在光自养条件下的生长速度都比 WT 慢得多；在光异养条件下，ΔcpcG1 的生长速度略快于 WT，而 ΔcpcBA 几乎不生长；ΔcpcC 的光合自养生长比 WT 慢，但明显快于 ΔcpcG1 和 ΔcpcBA；在光异养条件下，ΔcpcC 的生长很少。上述结果表明 CpcL-PBS 对光异养条件下的正常生长更为关键。

图 3. 野生型 (WT) 和突变株在不同光照条件下的生长曲线。

※ 光合电子转移

由于质体醌 (plastoquinone, PQ) 的减少，在光异养条件下生长需要 FNRL 与 CpcL-PBS 的连接。研究表明 (图 4)，当光化灯关闭时，WT 的光照后的Chl 荧光上升程度 (Post-Illumination Rise in Chl Fluorescence, PIRF) 显著增加。然而，在 dF338、ΔcpcG2 和 ΔcpcC 中未观察到 PIRF，表明这些突变体对 PQ 池的电子捐献受损。

图 4. 野生型 (WT) 和突变株 PIRF 上升度分析。

※ CpcL-PBS 与 PSI 的关联

研究未观察到 CpcL-PBS-PSI 单体复合物 (图 5A)。研究表明，ΔpsaL 不能形成 PSI 三聚体 (图 5B)，其在 PIRF 中的信号比 WT 要低得多；在光异养生长条件下，psaL 突变体的生长速度比 WT 慢 (图 5C)。

图 5. 来自 Synechococcus 7002 的 CpcL-PBS-光系统 I (PSI) 复合物的 EM 分析和 ΔpsaL 突变体的表型表征。

研究总结

研究表明 FNR 与 CpcL-PBS 的连接对光异养生长至关重要；三聚体光系统 I (PSI) 和具有全长 FNR 的完整 CpcL-PBS 对质体醌的减少至关重要。

原文选自 Microorganisms 期刊

Li, X.; Huang, C.; Wei, P.; Zhang, K.; Dong, C.; Lan, Q.; Zheng, Z.; Zhang, Z.; Zhao, J. Attachment of Ferredoxin: NADP+ Oxidoreductase to Phycobilisomes Is Required for Photoheterotrophic Growth of the Cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002. Microorganisms 2022, 10, 1313.

Microorganisms 期刊介绍

主编：Martin Von Bergen, Helmholtz Centre for Environmental Research – UFZ, Germany

期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、技术等微生物相关领域的学术文章。现已被 SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus 等重要数据库收录。

2021 Impact Factor：4.926

2021 CiteScore：4.1

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Time to Publication：33 Days