鹽脅迫下植物光系統(tǒng)II的光譜學(xué)和蛋白質(zhì)亞基研究進(jìn)展

丁春霞++周峰++華春

摘 要：光系統(tǒng)II（Photosystem II， PSII）是光合作用光反應(yīng)過(guò)程重要的光合膜蛋白復(fù)合體。本文介紹了組成PSII的核心復(fù)合物（Photosystem II core complex， PSIICC）和外周天線復(fù)合物（Light harvesting complex， LHCII）的亞基名稱、組成、分子量和聚集狀態(tài)。重點(diǎn)介紹了鹽脅迫對(duì)不同植物PSII光譜學(xué)及亞基組成和表達(dá)的影響，而鹽生植物和非鹽生植物在光譜學(xué)和蛋白質(zhì)組成和表達(dá)上對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)是不同的。這對(duì)于了解鹽生植物在高鹽漬環(huán)境下，維持PSII的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定，從而保持較高的光能利用效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：光系統(tǒng)II；光譜；蛋白亞基

中圖分類號(hào)：Q945.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.05.002

Advances in Spectroscopy and Protein Subunits of Photosystem II in Plant under Salt Stress

DING Chunxia， ZHOU Feng， HUA Chun

（Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing， Jiangsu 211171， China）

Abstract： Photosystem II （PSII） was an important complex of the light reaction of photosynthesis. The subunit name， composition， molecular weight and aggregation state of PSII core complexes and light harvesting complex II were introduced in this paper. The spectroscopy， composition and expression of PSII subunit in different plant under salt stress was emphasized present. However， there were differences between halophytes and non-halophytes. Therefore， it has important significance in understanding of halophytes to maintain the high efficiency of light energy under saline condition.

Key words： photosystem II；spectrum；protein subunit

光合作用被稱為地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，是生物學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一，其最主要的膜蛋白復(fù)合體有4種：光系統(tǒng)II（Photosystem II， PSII）復(fù)合體、光系統(tǒng)I（Photosystem I， PSI）復(fù)合體、細(xì)胞色素b6f（Cyt b6f）復(fù)合體和ATP合酶復(fù)合體[1]。我國(guó)鹽堿土分布廣泛，研究鹽脅迫下色素蛋白復(fù)合體在類囊體膜上的組裝與排列、光能的吸收與傳遞、亞基的組成與表達(dá)等，對(duì)于闡明植物的耐鹽高光效機(jī)理具有重要意義，可為鹽堿土的利用和耐鹽植物的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。本研究介紹了鹽脅迫對(duì)不同植物PSII的光譜特征與能量傳遞、亞基組成與表達(dá)的影響，重點(diǎn)探討了鹽生植物和非鹽生植物在光譜學(xué)和蛋白質(zhì)組成和表達(dá)上對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)差異。

1 光系統(tǒng)II的蛋白亞基組成

PSII是光合作用光反應(yīng)重要的光合膜蛋白復(fù)合體，通過(guò)吸收光能，裂解水釋放出氧氣和質(zhì)子，并從水分子中提取電子，電子通過(guò)醌庫(kù)、Cytb6/f復(fù)合物和質(zhì)體藍(lán)素傳遞到PSI。它由PSII核心復(fù)合體（PSII core complexes， PSIICC）和其捕光天線復(fù)合物II（Light harvesting complex， LHCII）組成。PSIICC是由大約25個(gè)不同蛋白復(fù)合物組成[2]，此外，PSIICC還有較小的亞基PsbH、PsbI、PsbJ、PsbK、PsbL、PsbM、PsbN、PsbX等。圍繞PSIICC外面的是LHCII，又稱外周捕光天線。它是由一系列結(jié)構(gòu)相似、進(jìn)化相關(guān)、由核基因（Lhcb1-6）編碼的蛋白與色素所形成的色素蛋白復(fù)合體家族構(gòu)成的。其主要功能是類捕獲光能，并將其迅速傳至光合反應(yīng)中心引起光化學(xué)反應(yīng)的色素蛋白系統(tǒng)[3]。

2 鹽脅迫對(duì)植物PSII光譜學(xué)和能量傳遞的影響

光譜是復(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)分光后，被色散開(kāi)的單色光按波長(zhǎng)（或頻率）大小依次排列而成的圖案，由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)并確定它的化學(xué)組成，這種方法叫做光譜學(xué)分析。按波長(zhǎng)區(qū)域不同，光譜可分為紅外光譜、可見(jiàn)光譜和紫外光譜；按產(chǎn)生的本質(zhì)不同，可分為原子光譜、分子光譜；按產(chǎn)生的方式不同，可分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜[4]。近年來(lái)，隨著各種光譜及其解析技術(shù)的發(fā)展，為深入研究鹽脅迫下光合膜蛋白的光譜學(xué)特征奠定了基礎(chǔ)。

Sudhir等[5]對(duì)鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）在0.8 mol·L-1高濃度NaCl處理下的研究結(jié)果表明，NaCl導(dǎo)致PSII活性降低，PSI活性升高，PSI最大熒光發(fā)射峰P700升高。Chauhan等[6]對(duì)多變魚(yú)腥藻（Anabaena variabilis）耐鹽突變體的研究發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，耐鹽突變體的PSII吸收光譜高于野生型，尤其是耐鹽突變體的胡蘿卜素吸光峰435 nm明顯高于野生型。對(duì)耐鹽突變體施加鹽處理后，其吸收光譜和熒光光譜升高。Zhang等[7]對(duì)鈍頂螺旋藻的77 K低溫?zé)晒獍l(fā)射光譜研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是436 nm還是580 nm激發(fā)，鹽脅迫均抑制了激發(fā)能從藻膽體（Phycobilisome）到PSII的傳遞，但促進(jìn)了激發(fā)能到PSI的傳遞。其中熒光發(fā)射峰695 nm和725 nm隨鹽脅迫濃度增加而顯著降低。Ferroni[8]對(duì)蹄形藻屬一種淡水植物（Selenastraceae）的研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中添加高濃度NaCl，并沒(méi)有影響其熒光發(fā)射峰的來(lái)源。低濃度NaCl沒(méi)有明顯提高LHCII/PSII的熒光發(fā)射比例，但高濃度NaCl使得LHCII/PSII熒光發(fā)射比例上升近3倍，這可能與高鹽條件下PSII反應(yīng)中的熒光發(fā)射降低有關(guān)。Mehta[9]對(duì)小麥的時(shí)間分辨熒光光譜研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫可導(dǎo)致LHCⅡ的異質(zhì)化，從而影響不同LHCⅡ到反應(yīng)中心的能量傳遞。對(duì)鹽處理水稻的研究結(jié)果則發(fā)現(xiàn)，NaCl脅迫抑制了水稻PSⅡ和PSⅠ電子傳遞活性、吸收光譜和熒光光譜，但鹽敏感品種（Peta）的鹽抑制程度明顯高于耐鹽品種（Pokkali）[10]。這表明，鹽處理對(duì)植物的光化學(xué)效率和反應(yīng)中心活性可能存在影響，而且在反應(yīng)中心數(shù)目、類囊體垛疊、葉綠體形態(tài)等方面可能存在差異，從而影響單葉的光能利用率和光合效率[11]。

3 鹽脅迫對(duì)植物PSII蛋白亞基的影響

Sudhir等[5]對(duì)鈍頂螺旋藻的Western雜交結(jié)果表明，PSII核心蛋白D1降低40%、內(nèi)周天線蛋白CP47顯著下降，但17 kD蛋白上升。但Rabhi等[12]對(duì)鹽生植物海馬齒（Sesuvium portulacastrum）的研究發(fā)現(xiàn)，鹽處理的海馬齒的類囊體膜蛋白亞基D1、CP47和CP43未發(fā)生明顯變化，LHCII降低了15%。Gong等[13]在鈍頂螺旋藻中的研究結(jié)果也表明，鹽處理后的螺旋藻類囊體膜蛋白亞基D1、CP47和CP43也未發(fā)生明顯變化，但是33 kD蛋白含量下降。Sudhir等[5]的研究表明，NaCl會(huì)誘導(dǎo)螺旋藻CP47的降解，導(dǎo)致內(nèi)周天線向PSII反應(yīng)中心傳遞能量受到影響。Suzuk[14]對(duì)眼蟲(chóng)藻（Euglena gracilis）的研究發(fā)現(xiàn)，NaCl處理不僅去除了PSII的23 kD和17 kD蛋白，還去除了33 kD蛋白。Fan等[15]對(duì)真鹽生植物歐洲海蓬子（Salicornia europaea）的研究結(jié)果表明，200 mmol·L-1鹽處理?xiàng)l件下，PSII天線蛋白CP29、CP47表達(dá)量增加。Yu等[16]對(duì)鹽生植物星星草（Puccinellia tenuiflora）的研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下（150 mmol·L-1）星星草光合作用的下降與LHC的下調(diào)表達(dá)有關(guān)。Trotta等[17]對(duì)鹽沼節(jié)黎屬一種鹽生植物（Arthrocnemum macrostachyum）的研究發(fā)現(xiàn)，33 kD蛋白、PsbS和 PsbR不受鹽脅迫影響，但鹽脅迫使LHCII含量下降約10%，而所有PSII反應(yīng)中心蛋白在無(wú)NaCl處理時(shí)含量最低。筆者的研究表明，鹽生植物畢氏海蓬子（Salicornia bigelovii）在400 mmol·L-1 NaCl處理下其生長(zhǎng)和光合速率均高于非鹽處理。通過(guò)Western雜交結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鹽處理下的PsaA/B、CP47、CP43和Lhcb1蛋白含量增加[18]。這說(shuō)明，鹽生植物不僅能夠在高鹽度條件下生存，而且更適于在鹽漬條件下生長(zhǎng)，缺鹽反而會(huì)造成PSII蛋白含量的降低[19-20]。

目前，關(guān)于植物在鹽脅迫下的PSII光譜學(xué)和蛋白質(zhì)組成和表達(dá)尚缺乏系統(tǒng)研究。已有的研究結(jié)果表明，不同植物尤其是鹽生植物和非鹽生植物在光譜學(xué)和蛋白質(zhì)組成和表達(dá)上對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)是不同的，而這種不同可能反映了鹽生植物的耐鹽高光效機(jī)制，因?yàn)辂}生植物之所以能夠在高鹽漬環(huán)境生存并生長(zhǎng)良好，最根本的原因是它在高鹽度條件下具有較高的光能利用效率，而這與PSII的結(jié)構(gòu)與功能密切相關(guān)。

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