植物PSⅡ的LHCⅡ可逆脫離的磷酸化調節

張海波　張清源　姜思奇

摘 要：LHCⅡ是植物光系統Ⅱ捕光色素蛋白復合體，能夠與光系統Ⅱ和光系統Ⅰ可逆脫離，進行光能的捕獲和傳遞及參與光抑制破壞的防御。LHCⅡ與PSⅡ的可逆脫離主要受自身磷酸化和PSⅡ核心蛋白磷酸化的調節。在低光強下，LHCⅡ磷酸化后與PSⅡ脫離，與PSⅠ結合，平衡PSⅡ與PSⅠ之間的激發能；在強光下，PSⅡ核心蛋白磷酸化導致LHCⅡ的脫離，使之處于游離狀態，主要進行過剩能量的耗散。部分LHCⅡ受活性氧誘導發生磷酸化而與PSⅡ脫離，爾后與PSⅠ結合，D1蛋白有利于分解PSⅡ損傷，參與修復受損傷的PSⅡ。

關鍵詞：光系統Ⅱ；狀態轉換；光損傷；D1蛋白

中圖分類號：S184 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170632050

植物的光合作用由光反應和暗反應2部分組成。光反應是植物利用光能驅動水裂解產生電子，而后通過電子傳遞和光合磷酸化作用產生NADPH和ATP的反應，為暗反應中CO2的固定準備同化力；而暗反應是利用光反應產生的NADPH和ATP，通過卡爾文循環等一系列由溫度控制的酶促反應完成對外界CO2的固定，最終完成光能向化學能的轉化。在植物的光合電子傳遞鏈中直接將光能轉換為電能的傳遞體是PSⅡ和PSⅠ復合體。它們的最大吸收波長不同。在植物的CO2同化過程中，不僅需要光反應和暗反應2部分協調配合，也需要PSⅡ和PSⅠ復合體之間的協同。

光作為綠色植物光合作用唯一的能量來源是其維持生命活動的基本條件。然而當植物處于波長經常變動或持續強光照射下，容易使PSⅡ和PSⅠ復合體之間的能量失衡，或光反應轉化的能量超出暗反應的需要，結果致使反應中心產生過剩的激發能，對光合機構產生一定的危害，植物的光合作用受到限制，嚴重影響植物的生長和發育。為防止過剩光能造成的損害，植物在長期進化過程中形成了一系列的防御機制[1]。其中PSⅡ捕光色素蛋白復合體LHCⅡ與反應中心的可逆脫離就是植物防御機制的重要組成部分之一。例如，在光照波長經常變化的環境中，植物光系統Ⅱ（PSⅡ）的捕光色素蛋白復合體Ⅱ（LHCⅡ）通過與PSⅡ和PSⅠ的可逆脫離，改變2個光系統的捕光色素數量，從而平衡2個光系統間的激發能，使植物的光反應效率最大化，降低過剩光能在反應中心的積累；而在持續強光照射條件下，捕光色素復合體吸收的光能不能完全用于碳同化作用，產生過剩激發能，為防御這部分光能對光合機構造成損傷，LHCⅡ也能從PSⅡ脫離處于游離狀態，從而防止更多光能進入反應中心。但也發現，有時在強光下也發生脫離下來的LHCⅡ與PSⅠ結合的情況。研究表明這種結合與受破壞的PSⅡ修復有關。雖然上述2種情況都發生了LHCⅡ與PSⅡ的離合，但其誘導因素和LHCⅡ脫離后的去向和功能不同。大量的研究證實，LHCⅡ與PSⅡ的可逆脫離行為受磷酸化與去磷酸化調節。本文總結和討論LHCⅡ與PSⅡ和PSⅠ可逆脫離的磷酸化調節機制，為深入研究植物強光適應和光抑制防御提供參考。

1 光系統狀態轉換中的LHCⅡ磷酸化調節

植物類囊體膜的光系統含有PSⅠ和PSⅡ2個光系統，在線性光合電子傳遞中，2個光系統均衡接受光能和協同作用才會產生最大效率。但由于2個光系統的反應中心色素組成和結構差異，導致產生最大光化學反應的有效波長不同。PSⅡ的最大吸收波長在680nm（藍綠光區），PSⅠ的最大吸收波長在700nm（遠紅光區）。當植物受到不同波長光照射時，PSⅡ和PSⅠ被不均衡激發，LHCⅡ就會從被過度激發的光系統上脫落下來，轉移到被較少激發的光系統上，從而均衡2個光系統間的激發能，這種現象稱為狀態轉換。大量實驗表明，LHCⅡ的可逆磷酸化作用參與了狀態轉換過程。LHCⅡ的磷酸化和去磷酸化狀態可以改變其與2個光系統間的親和力，從而發生捕光天線的移動。當PSⅡ被過度激發時，LHCⅡ發生磷酸化作用從PSⅡ脫落下來而結合到PSⅠ，這時的狀態為狀態2；而PSⅠ被過度激發時，磷酸化的LHCⅡ發生去磷酸化作用而重新結合到PSⅡ上，稱為狀態1。在光照多變的自然條件下，植物主要通過捕光天線的移動來平衡2個光系統間激發能的分配。在光抑制條件下，LHCⅡ的狀態轉換也是保護PSⅡ免受光破壞的1種機制。在單細胞光合生物中有80%的LHCⅡ能夠從PSⅡ脫離，在高等植物中只有15%～20% LHCⅡ能夠發生這種移動。

植物光合電子傳遞鏈的主要功能是產生NADPH和合成ATP。在某些情況下，植物需要加強環式光合電子傳遞以產生較多的ATP。狀態轉換最初被認為是對光質變化的一種短時間調節機制，可后來在單細胞生物中發現它還有調節ATP合成的功能。有人研究發現，用不同波長的光處理淡水綠藻后，LHCⅡ的磷酸化水平沒有明顯變化，而暗中通過抑制葉綠體呼吸而限制綠藻體內ATP的合成時，LHCⅡ磷酸化水平明顯升高，脫落的LHCⅡ不但結合到PSⅠ上，而且細胞色素b6f復合體也會向PSⅠ移動，加強了以PSⅠ為中心的循環電子傳遞，增加ATP的合成。Liu等通過增加藍藻培養介質中的鹽濃度而降低ATP的含量時，不但誘發了光系統的狀態轉換現象，而且還發現圍繞PSⅠ的循環電子流加快，而降低藍藻培養介質中的鹽濃度，則會發生相反的現象[2]。這可能與逆境下ATP的額外需求有關。盡管在高等植物中可以發生可逆脫離的LHCⅡ比例遠小于單細胞光合生物，但是這種行為在植物ATP合成調節中的作用也不能忽視。Tikkanen和Aro發現，細胞內ATP水平的降低，不但能使狀態1向狀態2轉變，而且還可以誘導線性電子傳遞向環式電子傳遞的轉換，從而加強圍繞PSⅠ的循環電子流，增加ATP的水平[3]。云建英等研究表明在低光強下，通過抑制煙草體內ATP的合成，使得內囊體膜腔過度酸化，電子傳遞鏈被過度還原。這有可能是誘導了狀態轉換的發生而加快了循環電子流，從而增加ATP的合成。

在狀態轉換中LHCⅡ與光系統的脫離是可逆的。以擬南芥和衣滴蟲突變體為材料的研究證實，葉綠體絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶STN7、STT7是LHCⅡ磷酸激酶。這些激酶都為單次跨膜蛋白，疏水性強的N端橫跨類囊體膜，親水性高的C端位于基質中，激酶結構域也位于基質中。大量研究證實，STN7和STT7激酶活性受光照、PQ庫和Cyt-b6f復合體的氧化還原狀態調控。在暗中，Cyt-b6f復合體Qo位點的還原型質體醌缺乏，STN7和STT7激酶處于鈍化狀態。在較多短波長光照射下，PSⅡ被過度激發，還原的質子醌PQH2與Cyt-b6f復合體的Qo位點相結合，誘使Cyt-b6f復合體構象變化，從而將還原信號從類囊體內腔傳遞到基質間側的激酶結構域，激活LHCⅡ蛋白激酶，使得LHCⅡ發生磷酸化從PSⅡ脫落而結合到PSⅠ上[4]。當較多長波長光照射下，PSⅠ被過度激發，PQH2被氧化從Cyt-b6f復合體的Qo位點脫離下來，磷酸化的LHCⅡ在基質側磷酸酯酶的作用下去磷酸化，從PSⅠ脫落重新結合到PSⅡ上。但迄今為止，導致LHCⅡ去磷酸化的磷酸酯酶和具體的作用機制還未被發現和闡明。但有研究發現，類囊體膜腔的親兔蛋白TLP40可以通過與磷酸酯酶的結合與釋放調節該酶的活性。

PSⅡ復合體中的LHCⅡ以三聚體的形式存在。唐萍等利用生物化學和電鏡顯微鏡技術對植物類囊體膜進行分析表明，在PSⅡ核心周圍分布著2種形式的LHCⅡ三聚體，1種形式為S型，與PSⅡ結合緊密不容易脫離；1種形式為M型，與PSⅡ結合松弛，容易從PSⅡ脫離下來，并且參與PSⅡ的裝配。在它的3個組成單體中，單體Lhcb1和Lhcb2能夠發生磷酸化，而單體Lhcb3沒有磷酸化位點。當三聚體發生磷酸化后，從PSⅡ脫離下來后解離，磷酸化的單體結合到PSⅠ上。

2 光抑制防御中的PSⅡ核心蛋白磷酸化調節

研究表明，在強光下也發生LHCⅡ與PSⅡ的可逆脫離，但其機制與正常光照不同。在飽和光照下發生的光抑制恢復需要數個小時，甚至不能完全恢復，而狀態轉換的恢復只需要20～30min。PSⅡ是植物發生光抑制或光破壞發生的原初部位，在強光下需要LHCⅡ的脫離來減少光能的吸收。但是，在強光照射下，LHCⅡ的磷酸化受到限制，阻礙其脫離。這是因為在高光強下存在LHCⅡ磷酸化的負調節效應[5]。有研究表明，高光照下的LHCⅡ磷酸化負調節是由PSⅠ端的Fe-S氧還蛋白系統介導的。LHCⅡ的磷酸化由STN7蛋白激酶催化，位于膜腔內側的二硫鍵，是Fe-S氧還蛋白作用的位點。在高光強下，STN7激酶膜腔內的二硫鍵暴露出來，被PSⅠ端的鐵硫氧還蛋白所還原，使STN7蛋白激酶失活，LHCⅡ的磷酸化受到抑制[5]。然而，研究表明，在強光下，仍有部分LHCⅡ從PSⅡ脫離下來，但并不與PSⅠ結合，而是游離在PSⅡ附近。這可以減少過剩光能進入PSⅡ反應中心，也可以防止把過剩激發能帶入PSⅠ。這被認為是植物進化出來的保護PSⅠ免遭光破壞的一種有效機制，因為PSⅠ并沒有與PSⅡ一樣有光破壞防御和修復機制。

盡管在強光下LHCⅡ與PSⅡ分離時，LHCⅡ不發生磷酸化，但是這種脫離也受磷酸化的調控。磷酸酯酶抑制劑（NaF）和蛋白激酶抑制劑（FSBA）都可以調控LHCⅡ與PSⅡ反應中心的脫離。研究表明，在高光強下，PSⅡ的核心蛋白（D1、D2、CP43、PsbH蛋白）都能發生磷酸化作用。催化PSⅡ核心蛋白磷酸化的是STN8激酶。由于該酶與STN7不同，沒有位于膜腔內側的二硫鍵，其活性不受Fe-S氧還蛋白的抑制，所以在強光下仍起催化PSⅡ的核心蛋白磷酸化的作用[5]。Zhang等認為，強光處理下PSⅡ核心蛋白的磷酸化作用，導致PSⅡ構象發生變化，致使LHCⅡ與PSⅡ的結合變得松弛而脫落下來。在植物轉發入低光強或黑暗條件下時，PSⅡ反應中心的過剩激發能逐漸減少，磷酸化核心蛋白在磷酸酯酶的作用下發生去磷酸化，LHCⅡ又重新返回PSⅡ。研究發現，D1蛋白的磷酸酯酶有2類，存在于垛疊的類囊體膜，負責未受損傷的D1蛋白的去磷酸化，在暗中或光下都有活性；存在于非垛疊的類囊體膜，負責受損傷的D1蛋白的去磷酸化，只在光下有活性[6-7]。

3 PSⅡ光損傷修復中的LHCⅡ磷酸化調節

在強光照射下，植物雖然可以通過PSⅡ核心蛋白（主要是D1蛋白）的磷酸化使LHCⅡ游離于PSⅡ，且不與PSⅠ結合來避免發生光抑制甚至光破壞，但研究表明，在強光條件下，部分LHCⅡ仍然會發生磷酸化作用。這是因為當PSⅡ被過度還原時，PSⅡ反應中心易產生過氧化氫和單線態氧等過氧化物質。這些氧化物質氧化破壞PSⅡ反應中心D1蛋白，將STN7激酶被還原的二硫鍵重新氧化，酶被重新活化，使LHCⅡ發生磷酸化而從PSⅡ脫離。Breitholtz等對具有較低非光化學猝滅能力和較高PSⅡ激發能力的擬南芥突變體進行強光處理發現，這2種突變體植物都發生了LHCⅡ的磷酸化作用，原因是突變體中較低的非光化學猝滅能力和PSⅡ的過度激發使得過剩的激發能在PSⅡ反應中心積累，導致了活性氧等有氧物質的產生，而這些有害物質催化LHCⅡ激酶中被還原的二硫鍵的重新氧化，從而恢復了激酶活性。需要注意的問題是，在強光下，STN7/STT7等蛋白激酶被重新激活后，磷酸化的LHCⅡ將會結合到PSI，勢必會轉移給PSI過多的激發能，造成PSI的破壞。那么，在高強光下LHCⅡ的磷酸化是否是一單純的有害反應，還是另有生理作用。

研究表明，強光下的LHCⅡ磷酸化可能與受損傷的PSⅡ修復有關。在PSⅡ復合體的所有蛋白中，核心蛋白D1是周轉最快的蛋白。強光照射下，D1蛋白不可避免地被PSⅡ反應中心所產生的過氧化物損傷。大量研究表明，受損傷PSⅡ的修復機制包括：受損傷PSⅡ異二聚體的單體化；PSⅡ單體由類囊體膜的垛疊區向非垛疊區遷移；PSⅡ核心蛋白去磷酸化；受損傷的D1蛋白降解（在非垛疊的類囊體膜）；新合成的D1蛋白取代受損傷的D1蛋白后，裝配成具有正常功能的PSⅡ復合體。過氧化物質誘導的磷酸化LHCⅡ，從PSⅡ脫落下來后也結合到PSⅠ上。這種結合與受損傷D1蛋白的降解有關。

4 展望

隨著分子生物學技術的不斷發展，人們對LHCⅡ可逆脫離的研究取得了重大的成果，但到目前為止仍有許多問題沒有闡明。例如，與LHCⅡ磷酸化相關的蛋白激酶只在某些特定物種得到鑒定，還有大量物種中LHCⅡ磷酸化的蛋白激酶還未得到揭示；在相同光質或光照處理下，LHCⅡ的可逆脫離具有物種依賴性，這與他們的LHCⅡ磷酸化所依賴的蛋白激酶有關，還是和他們適應環境能力的不同有關；有研究發現，CP29、TSP9等蛋白也參與狀態轉換和PSⅡ的防御及修復機制，但至今為止，這些蛋白的具體作用機制還不是很清楚；在飽和光或強光下，從PSⅡ脫離的LHCⅡ是如何耗散過剩的激發能的；還有高光強條件下LHCⅡ與PSⅠ的可逆結合是怎么參與或促進D1蛋白的降解和重新合成的。這些問題都需要進一步的研究。

參考文獻

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