鹽脅迫下植物光系統II的光譜學和蛋白質亞基研究進展

丁春霞++周峰++華春

摘 要：光系統II（Photosystem II， PSII）是光合作用光反應過程重要的光合膜蛋白復合體。本文介紹了組成PSII的核心復合物（Photosystem II core complex， PSIICC）和外周天線復合物（Light harvesting complex， LHCII）的亞基名稱、組成、分子量和聚集狀態。重點介紹了鹽脅迫對不同植物PSII光譜學及亞基組成和表達的影響，而鹽生植物和非鹽生植物在光譜學和蛋白質組成和表達上對鹽脅迫的響應是不同的。這對于了解鹽生植物在高鹽漬環境下，維持PSII的結構與穩定，從而保持較高的光能利用效率具有重要意義。

關鍵詞：光系統II；光譜；蛋白亞基

中圖分類號：Q945.11 文獻標識碼：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反應，是生物學研究的重要領域之一，其最主要的膜蛋白復合體有4種：光系統II（Photosystem II， PSII）復合體、光系統I（Photosystem I， PSI）復合體、細胞色素b6f（Cyt b6f）復合體和ATP合酶復合體[1]。我國鹽堿土分布廣泛，研究鹽脅迫下色素蛋白復合體在類囊體膜上的組裝與排列、光能的吸收與傳遞、亞基的組成與表達等，對于闡明植物的耐鹽高光效機理具有重要意義，可為鹽堿土的利用和耐鹽植物的開發奠定基礎。本研究介紹了鹽脅迫對不同植物PSII的光譜特征與能量傳遞、亞基組成與表達的影響，重點探討了鹽生植物和非鹽生植物在光譜學和蛋白質組成和表達上對鹽脅迫的響應差異。

1 光系統II的蛋白亞基組成

PSII是光合作用光反應重要的光合膜蛋白復合體，通過吸收光能，裂解水釋放出氧氣和質子，并從水分子中提取電子，電子通過醌庫、Cytb6/f復合物和質體藍素傳遞到PSI。它由PSII核心復合體（PSII core complexes， PSIICC）和其捕光天線復合物II（Light harvesting complex， LHCII）組成。PSIICC是由大約25個不同蛋白復合物組成[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。它是由一系列結構相似、進化相關、由核基因（Lhcb1-6）編碼的蛋白與色素所形成的色素蛋白復合體家族構成的。其主要功能是類捕獲光能，并將其迅速傳至光合反應中心引起光化學反應的色素蛋白系統[3]。

2 鹽脅迫對植物PSII光譜學和能量傳遞的影響

光譜是復色光經過色散系統分光后，被色散開的單色光按波長（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，因此可以根據光譜來鑒別物質并確定它的化學組成，這種方法叫做光譜學分析。按波長區域不同，光譜可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜；按產生的本質不同，可分為原子光譜、分子光譜；按產生的方式不同，可分為發射光譜、吸收光譜和散射光譜[4]。近年來，隨著各種光譜及其解析技術的發展，為深入研究鹽脅迫下光合膜蛋白的光譜學特征奠定了基礎。

Sudhir等[5]對鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）在0.8 mol·L-1高濃度NaCl處理下的研究結果表明，NaCl導致PSII活性降低，PSI活性升高，PSI最大熒光發射峰P700升高。Chauhan等[6]對多變魚腥藻（Anabaena variabilis）耐鹽突變體的研究發現，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]對鈍頂螺旋藻的77 K低溫熒光發射光譜研究發現，無論是436 nm還是580 nm激發，鹽脅迫均抑制了激發能從藻膽體（Phycobilisome）到PSII的傳遞，但促進了激發能到PSI的傳遞。其中熒光發射峰695 nm和725 nm隨鹽脅迫濃度增加而顯著降低。Ferroni[8]對蹄形藻屬一種淡水植物（Selenastraceae）的研究發現，在培養基中添加高濃度NaCl，并沒有影響其熒光發射峰的來源。低濃度NaCl沒有明顯提高LHCII/PSII的熒光發射比例，但高濃度NaCl使得LHCII/PSII熒光發射比例上升近3倍，這可能與高鹽條件下PSII反應中的熒光發射降低有關。Mehta[9]對小麥的時間分辨熒光光譜研究發現，鹽脅迫可導致LHCⅡ的異質化，從而影響不同LHCⅡ到反應中心的能量傳遞。對鹽處理水稻的研究結果則發現，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，鹽處理對植物的光化學效率和反應中心活性可能存在影響，而且在反應中心數目、類囊體垛疊、葉綠體形態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 鹽脅迫對植物PSII蛋白亞基的影響

Sudhir等[5]對鈍頂螺旋藻的Western雜交結果表明，PSII核心蛋白D1降低40%、內周天線蛋白CP47顯著下降，但17 kD蛋白上升。但Rabhi等[12]對鹽生植物海馬齒（Sesuvium portulacastrum）的研究發現，鹽處理的海馬齒的類囊體膜蛋白亞基D1、CP47和CP43未發生明顯變化，LHCII降低了15%。Gong等[13]在鈍頂螺旋藻中的研究結果也表明，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會誘導螺旋藻CP47的降解，導致內周天線向PSII反應中心傳遞能量受到影響。Suzuk[14]對眼蟲藻（Euglena gracilis）的研究發現，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]對真鹽生植物歐洲海蓬子（Salicornia europaea）的研究結果表明，200 mmol·L-1鹽處理條件下，PSII天線蛋白CP29、CP47表達量增加。Yu等[16]對鹽生植物星星草（Puccinellia tenuiflora）的研究發現，鹽脅迫下（150 mmol·L-1）星星草光合作用的下降與LHC的下調表達有關。Trotta等[17]對鹽沼節黎屬一種鹽生植物（Arthrocnemum macrostachyum）的研究發現，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反應中心蛋白在無NaCl處理時含量最低。筆者的研究表明，鹽生植物畢氏海蓬子（Salicornia bigelovii）在400 mmol·L-1 NaCl處理下其生長和光合速率均高于非鹽處理。通過Western雜交結果發現，鹽處理下的PsaA/B、CP47、CP43和Lhcb1蛋白含量增加[18]。這說明，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，缺鹽反而會造成PSII蛋白含量的降低[19-20]。

目前，關于植物在鹽脅迫下的PSII光譜學和蛋白質組成和表達尚缺乏系統研究。已有的研究結果表明，不同植物尤其是鹽生植物和非鹽生植物在光譜學和蛋白質組成和表達上對鹽脅迫的響應是不同的，而這種不同可能反映了鹽生植物的耐鹽高光效機制，因為鹽生植物之所以能夠在高鹽漬環境生存并生長良好，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的結構與功能密切相關。

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