光合作用是植物獲取能量的核心過程 。植物通過調節(jié)光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）之間的激發(fā)能分配，以適應外界光質和光強的變化。這一動態(tài)調節(jié)過程被稱為狀態(tài)轉換（state transition），其核心機制是通過調控光捕獲復合體II（LHCII）的可逆磷酸化來平衡光系統(tǒng)能量輸入。盡管狀態(tài)轉換在植物光適應中具有重要作用，但其對光合蛋白穩(wěn)態(tài)和周轉的影響機制仍不清楚。

近日，南開大學生命科學學院李磊教授團隊在PlantPhysiology發(fā)表了題為Turnover rates of photosynthetic proteins indicate a correlation with photosynthetic capacity under state transitions的研究論文，利用穩(wěn)定同位素15N標記技術，揭示了狀態(tài)轉換對光合蛋白穩(wěn)態(tài)調控的新層面。

研究團隊選取停留在狀態(tài)I的蛋白激酶突變體 stn7-1、停留在狀態(tài)II的蛋白磷酸酶突變體tap38-1，以及野生型擬南芥，通過1?N漸進標記完整植物和蛋白質質譜定量解析，比較了三種類囊體光合蛋白的周轉速率。

研究發(fā)現(xiàn)，在狀態(tài)I下（LHCII 不發(fā)生磷酸化），LHCII主要與PSII結合，并激活PSII核心蛋白D1的周轉；在狀態(tài)II下（LHCII被磷酸化），p-LHCII主要與PSI結合，并促進包括PSI、NDH復合體及ATP合酶在內的蛋白周轉。

具有代表性的D1、PSAB和LHCII亞基的周轉速率在不同狀態(tài)下與野生型相比約有20%的差異，與狀態(tài)轉換的p-LHCII所占份額接近，表明狀態(tài)轉換引起的激發(fā)能分配與光合蛋白周轉存在緊密的對應關系。結合葉綠素熒光測定結果，研究進一步發(fā)現(xiàn)，光合電子傳遞鏈蛋白的周轉速率與其接受的電子流強度呈顯著正相關。有趣的是，雖然突變體中主要光合蛋白的豐度未出現(xiàn)明顯變化，但其周轉速率差異清晰可辨，顯示蛋白質周轉分析是一種靈敏的能量分配指示手段，為研究動態(tài)的光合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調控和能量分配的長期效應提供了新策略。

在狀態(tài)轉換過程中，PSII核心蛋白D1與其鄰近亞基表現(xiàn)出相反的周轉趨勢，提示D1修復與PSII復合體穩(wěn)定性密切相關。此外，細胞色素b6f復合體的b6亞基（PetB）與f亞基（PetA）在狀態(tài)I和狀態(tài)II分別與PSII核心蛋白D1、以及PSI、NDH復合體和ATP合酶的周轉變化呈協(xié)同性，暗示該復合體在類囊體不同區(qū)域的功能耦合特征。

綜上，該研究首次從蛋白質周轉層面揭示了光合電子傳遞鏈能量分配與蛋白穩(wěn)態(tài)的內在聯(lián)系，為理解植物如何通過動態(tài)的蛋白穩(wěn)態(tài)調控適應光環(huán)境變化提供了新的視角。

南開大學生命科學學院李磊教授為通訊作者，博士生李圓圓、梁寒和侯宇奇為主要完成人。研究得到西澳大學Harvey Millar教授與Owen Duncan博士的協(xié)助，并感謝慕尼黑大學Dario Leister教授、天津師范大學丁蘭平教授、中國科學院植物研究所楊文強研究員及韓菲的支持。項目由國家自然科學基金委員會、天津市科技局、雜交水稻全國重點實驗室開放性課題及南開大學細胞應答交叉中心資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf638