類囊體膜對(duì)光脅迫的適應(yīng)機(jī)制

陳 茹，朱 麗，侯 昕

(武漢大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072)

地球上絕大多數(shù)陸生植物生活在充滿變化和挑戰(zhàn)的自然環(huán)境中，日光強(qiáng)度的變化幅度是驚人的，可以在一天內(nèi)隨機(jī)跨越好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，致使類囊體膜發(fā)生不可逆的損壞，而有毒副產(chǎn)物活性氧(ROS)的產(chǎn)生加劇了損傷程度[1]。因此，植物進(jìn)化出一系列的保護(hù)機(jī)制，能夠最大程度地減少損傷。這些機(jī)制包括：植物的物理避光——植物的自發(fā)避光運(yùn)功，使葉片逐漸朝向順風(fēng)的方向或者陽(yáng)光方向平行的方向，避免葉綠體無(wú)序運(yùn)動(dòng)，讓植物細(xì)胞內(nèi)的葉綠體重新定位，使得光照最小化來(lái)避免光損傷[2]。盡管如此，植物細(xì)胞仍然會(huì)發(fā)生光抑制。許多證據(jù)有力地證明，高光強(qiáng)暴露下，類囊體膜是應(yīng)對(duì)光脅迫的關(guān)鍵[3]。

1 類囊體膜

光合作用的光反應(yīng)發(fā)生在類囊體膜上，類囊體上的多種蛋白復(fù)合體和電子傳遞體參與了光反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化和電子傳遞，故類囊體膜也被稱為“光合膜”。

1.1 膜脂

高等植物葉綠體的類囊體膜組分包括4種甘油酯。其中，單半乳糖甘油二酯(MGDG)、雙半乳糖甘油二酯(DGDG)和硫代異鼠李糖甘油二酯(SQDG)屬于糖脂，而另外一種磷脂酰甘油(PG)屬于磷脂[4]。MGDG和DGDG分別占總膜脂的50%和20%，兩者均含高比例的多不飽和脂肪酸?；ｎ惸殷w上MGDG/DGDG的比率高于基質(zhì)類囊體。MGDG會(huì)使類囊體發(fā)生彎曲，DGDG則能夠穩(wěn)定類囊體膜網(wǎng)絡(luò)[4]。SQDG含量約占類囊體膜脂的10%。雖然，PG只占類囊體膜脂的3%～10%，卻是決定膜脂相變的主要因素。PG中含有葉綠體特有的脂肪酸反式十六碳一烯酸(trans-16:1)需要在光下才能合成，其含量易受外界環(huán)境條件如溫度、光照等的影響[4]。

1.2 類囊體膜上的蛋白復(fù)合體

光合電子傳遞鏈有兩種(圖1)：1)線性電子傳遞鏈(LET, linear electron transfer)。水分子在放氧復(fù)合體中裂解，產(chǎn)生的電子依次經(jīng)過(guò)光系統(tǒng)II(PSII)、細(xì)胞色素b6f復(fù)合體(Cytb6/f)和光系統(tǒng)I(PSI)，最后傳遞給煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADP)，形成還原型輔酶II(NADPH)。2)環(huán)式電子傳遞鏈(CET, cyclic electron transfer)。與LET不同，在CET中沒(méi)有水分子的氧化，也沒(méi)有NADPH的形成。電子直接經(jīng)過(guò)PSI傳遞給鐵氧還蛋白(Fd, ferredoxin)，F(xiàn)d將電子傳遞給質(zhì)體醌(PQ, plastoquinone)，然后經(jīng)Cytb6/f 傳遞給質(zhì)體藍(lán)素(PC, plastocyanin)，PC再將電子傳遞給PSI，形成一個(gè)循環(huán)[5]。

圖1 類囊體膜和兩種光合電子傳遞鏈(根據(jù)文獻(xiàn)[34]修改)

PSII由外周天線蛋白、內(nèi)周天線蛋白、反應(yīng)中心、輔助亞基和放氧復(fù)合體構(gòu)成[6]。外周天線蛋白由捕光蛋白復(fù)合體(LHCII, light harvesting complex II)組成，它們負(fù)責(zé)吸收光能并傳遞給內(nèi)周天線蛋白CP43和CP47。隨后，內(nèi)周天線蛋白將吸收的光量子匯集到反應(yīng)中心[7]。光反應(yīng)中心由2個(gè)交叉排列的蛋白 D1、D2和細(xì)胞色素b559(Cytb559)構(gòu)成。反應(yīng)中心含有原初電子供體Yz、PSII反應(yīng)中心色素(P680)、原初電子受體和電子傳遞體質(zhì)體醌QA和QBC。位于PSII反應(yīng)中心外部的若干小分子輔助亞基，它們可能具有穩(wěn)定PSII結(jié)構(gòu)的功能，具體機(jī)理還有待挖掘[7-8]。放氧復(fù)合體位于靠近類囊體腔的一側(cè)，由PsbO、PsbP和PsbQ等3個(gè)蛋白組成，分子質(zhì)量分別為33、23和17 ku。其中PsbO蛋白被稱為錳穩(wěn)定蛋白(MSP, manganese stablizing protein)。每個(gè)放氧復(fù)合體結(jié)合4個(gè)錳離子和1個(gè)鈣離子，氯離子也可以作為放氧復(fù)合體的配體，參與氧氣的釋放。

Cytb6/f是一種二聚體復(fù)合蛋白，每個(gè)單體包括細(xì)胞色素f(Cytf)、細(xì)胞色素b(Cytb6)和鐵硫蛋白(ISP, iron sulfur protein)[9]。Cytb6/f可以介導(dǎo)電子從PSII到PSI的電子轉(zhuǎn)移，同時(shí)促使氫離子穿越類囊體膜而泵到內(nèi)腔，依靠產(chǎn)生的質(zhì)子濃度梯度可以驅(qū)動(dòng)葉綠體中ATP的合成[9]。

PSI由天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心、外周蛋白和內(nèi)周蛋白構(gòu)成。捕光天線系統(tǒng)將吸收的光能傳遞給反應(yīng)中心。反應(yīng)中心包括蛋白PsaA和PsaB、反應(yīng)中心色素P700、原初電子受體A0、電子受體A1、鐵硫蛋白Fx和鐵硫中心。PSI的基質(zhì)側(cè)含有PsaC、PsaD和PsaE 3個(gè)外周蛋白。此外，PSI中含有的小分子內(nèi)周蛋白對(duì)PSI復(fù)合體的組裝和穩(wěn)定有著重要的意義[11]。

葉綠體ATP合酶由鑲嵌在類囊體膜上的CFo和突出在類囊體膜外的CF1組成。CFo是跨膜的質(zhì)子通道，CF1起催化作用[12]。ATP合酶利用跨膜質(zhì)子梯度催化ADP磷酸化產(chǎn)生ATP。葉綠體ATP合酶偶聯(lián)因子CF1復(fù)合物包含5個(gè)不同的亞基，按照分子質(zhì)量從大到小排列為α、β、γ、δ和ε，化學(xué)計(jì)量比為3∶3∶1∶1∶1。其中，β亞基包含葉綠體中光氧化磷酸化過(guò)程中ATP合成的催化位點(diǎn)。

2 類囊體膜各組分響應(yīng)光脅迫機(jī)制

2.1 膜脂

研究表明PG是引起膜脂相變的關(guān)鍵因素，黃瓜PG中的trans-16:1對(duì)保持LHCII的結(jié)構(gòu)起著重要的作用[13]。當(dāng)類囊體膜受到高光強(qiáng)脅迫時(shí)，trans-16:1發(fā)生降解，導(dǎo)致LHCII寡聚體減少，捕獲的光能不能有效地傳遞至反應(yīng)中心，捕光效率下降[4]。同時(shí)，LHCII的失活還會(huì)導(dǎo)致PSII的超級(jí)復(fù)合體發(fā)生不可逆解體[13]，使得PSII復(fù)合物游離，參與光修復(fù)的蛋白質(zhì)得以穿過(guò)基粒到達(dá)基質(zhì)類囊體進(jìn)行損傷修復(fù)[14]。

另一方面，類囊體膜中蛋白質(zhì)之間的相互作用受到膜流動(dòng)性的支撐，膜的流動(dòng)性取決于游離脂質(zhì)中脂肪酸的飽和度。在某些極端強(qiáng)烈光照條件下，類囊體脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化作用，產(chǎn)生ROS，并破壞類囊體蛋白質(zhì)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，使其形成不可逆的聚集體。這些不可逆聚集體聚集會(huì)導(dǎo)致膜的流動(dòng)性降低[15]。類囊體膜的流動(dòng)性降低阻止了蛋白質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)，受損的PSII從堆積的基粒向基質(zhì)類囊體遷移速度大大延遲。脂質(zhì)過(guò)氧化作用一旦在類囊體膜中擴(kuò)散，可能導(dǎo)致PSII的修復(fù)抑制。為避免脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，類囊體會(huì)自發(fā)解堆積，促進(jìn)ROS從類囊體膜中逸出，阻止光脅迫造成的傷害進(jìn)一步擴(kuò)散[15]。

近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，類囊體膜脂的不同組分在不同的物種(高等植物和藻類)中有很大的區(qū)別，特別是在強(qiáng)光照射下，藻類類囊體膜脂中的帶負(fù)電荷脂質(zhì)的比例會(huì)不斷提升，這可能與抵御高光強(qiáng)脅迫有關(guān)[16]。在正常光條件下生長(zhǎng)的硅藻中，類囊體膜富含帶負(fù)電荷的脂質(zhì)SQDG和PG，其中最豐富的是SQDG，其濃度有時(shí)比MGDG更高。在高光強(qiáng)脅迫下生長(zhǎng)的硅藻類囊體膜中，帶負(fù)電荷的脂質(zhì)占比可能會(huì)上升到約50%。對(duì)比高等植物和硅藻的類囊體膜脂組成，可以推測(cè)高等植物中高含量的半乳糖脂和硅藻中高含量的帶負(fù)電荷脂質(zhì)，分別對(duì)嵌入它們的光合大分子復(fù)合體有著不同的影響[16]。

2.2 光系統(tǒng)II

高強(qiáng)度光脅迫會(huì)引起類囊體的結(jié)構(gòu)重排，促進(jìn)PSII的損傷修復(fù)[17]。在高光強(qiáng)暴露下，類囊體腔發(fā)生膨脹，膜上的狀態(tài)轉(zhuǎn)換激酶7(STN7, state transition 7)介導(dǎo)外周天線蛋白LHCII發(fā)生磷酸化修飾[18]，使得LHCII從PSII上解離并與PSI結(jié)合，平衡了PSII和PSI的能量分配[19]?；|(zhì)降解酶(DEG, degradation of periplasmic)和PSII相互接觸，導(dǎo)致基質(zhì)間隙的寬度增加，有利于金屬蛋白酶(FtsH, filamentation temperature-sensitive H)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換激酶8(STN8, state transition 8)和PSII核心磷酸酶(PBCP, PSII core phosphatase)這幾個(gè)修復(fù)蛋白更好地接近基粒類囊體[20]。此外，高光下PSII核心蛋白的磷酸化與去磷酸化主要由STN8和PBCP協(xié)同調(diào)控。STN8蛋白激酶催化PSII亞基D1、D2、CP43和PsbH的磷酸化，有利于基粒類囊體向基質(zhì)類囊體遷移[21]。為了有效地降解受損的PSII核心蛋白亞基，通常磷酸化的蛋白需要在PBCP的作用下去磷酸化。FtsH從基質(zhì)類囊體移動(dòng)到基粒的邊緣，一部分也移到基粒的核心[22]。遷移基本完畢后，CP43從PSII 里釋放，PSII蛋白復(fù)合體解體，之后開(kāi)始重新組裝[23]。PSII的重新組裝分為3個(gè)步驟：1)D2招募磷酸化的D1，在CtpA、HCF-136和HCF243等蛋白亞基的協(xié)助下，將D1蛋白的C端加工成熟并結(jié)合上D2；2)招募Psb28和PAM68，促進(jìn)CP47結(jié)合上D2，形成反應(yīng)中心RC47，隨后招募 LPA2和LPA3，將CP43組裝到RC47中，形成PSII單體；3)在FKBP20-2、Deg1和Alb3的輔助下，PSII單體重新形成二聚體。

越來(lái)越多新的類囊體跨膜蛋白被鑒定和分離出來(lái)，比如HHL1(Hypersensitive to high light 1)是一個(gè)高等植物特有的葉綠體蛋白，定位于基質(zhì)類囊體膜上，與PSII中的CP43和CP47兩個(gè)蛋白有著直接的相互作用，主要參與PSII的高光保護(hù)和損傷修復(fù)[24]。經(jīng)過(guò)高光處理后的hhl1突變體PSII活性顯著降低，核心蛋白D1的降解速度加快，同時(shí)ROS水平上升明顯。另外，蛋白LQY1(Low quantum yield of photosystem II 1)也是一個(gè)參與PSII損傷修復(fù)的蛋白，它與HHL1有著直接的相互作用，協(xié)同調(diào)控PSII的損傷修復(fù)[24]。

2.3 Cytb6/f蛋白復(fù)合體

Cytb6/f通過(guò)平衡LET和CET的電子流來(lái)降低光脅迫對(duì) PSII和PSI 的損傷。在光合作用過(guò)程中，LET在光反應(yīng)中產(chǎn)生的能量不能滿足暗反應(yīng)對(duì)二氧化碳固定的能量需求，因此，在暗反應(yīng)過(guò)程中需要CET進(jìn)行額外的能量補(bǔ)充。雖然CET中沒(méi)有NADPH的形成，但是可以從類囊體膜向類囊體腔泵出H+，形成跨膜質(zhì)子梯度來(lái)合成 ATP。從整個(gè)葉綠體的角度來(lái)看，光合電子傳遞鏈中過(guò)度的CET會(huì)導(dǎo)致NADPH 供給不足，進(jìn)而影響暗反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，所以高等植物細(xì)胞需要通過(guò)Cytb6/f平衡LET和CET之間的電子分配。在整個(gè)電子傳遞過(guò)程中，當(dāng)LET占主導(dǎo)時(shí)，PQ/PQH2和 NADPH處于還原狀態(tài)，這時(shí)Cytb6/f能響應(yīng)這種還原狀態(tài)，并改變其在類囊體膜上的位置，形成 Cytb6/f-PSI 復(fù)合體，控制LET和CET之間的電子分配平衡[26]。

另一方面，外界光強(qiáng)的不斷變化使PSI和PSII常常處于不同的激發(fā)態(tài)。狀態(tài)I指的是PSI吸收的光能增多，可誘導(dǎo)激發(fā)能增加，最終有利于PSI激發(fā)的狀態(tài)；狀態(tài)II指的是PSII吸收的光能增多，被分配的可誘導(dǎo)光能增加，最終有利于PSII激發(fā)的狀態(tài)。高等植物葉綠體通過(guò)光合狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)調(diào)節(jié)PSI和PSII之間的光能分配的不平衡，以及維持光合電子傳遞鏈的氧化還原狀態(tài)平衡[28]。當(dāng) PSII 相對(duì)于 PSI 處于過(guò)度激發(fā)態(tài)時(shí)，電子大量產(chǎn)生，使 PQ/PQH2處于高還原態(tài)，導(dǎo)致Cytb6/f類囊體側(cè)的 PQH2來(lái)不及釋放，LHCII 蛋白激酶被激活，部分被磷酸化的 LHCII 從 PSII復(fù)合體上解離并結(jié)合到 PSI；當(dāng)PSI相對(duì)于PSII處于過(guò)度激發(fā)態(tài)時(shí)，PSI的激發(fā)使還原態(tài)的PQ被氧化，Cytb6/f的Q0位點(diǎn)恢復(fù)正常，LHCII激酶失活，LHCII去磷酸化后從PSI解離下來(lái)再結(jié)合上PSII，還原為狀態(tài)I。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換可維持光合電子轉(zhuǎn)移鏈的氧化還原。它由Stt7/STN7蛋白激酶介導(dǎo)，該蛋白激酶在還原質(zhì)體醌池后通過(guò)Cytb6/f激活。在衣藻中，Stt7/STN7激酶可以與Cytb6/f相結(jié)合[29]。Stt7/STN7與Cytb6/f之間的相互作用是通過(guò)Rieske蛋白(PetC)發(fā)生的。酵母雙雜交的試驗(yàn)結(jié)果表明，PetC的第51至97個(gè)氨基酸殘基是與Stt7/STN7的N末端相互作用的位點(diǎn)。另外，Stt7/STN7與Cytb6/f的結(jié)合方式可能不止1種，比如兩個(gè)Stt7/STN7單體可以與Cytb6/f的二聚體相互作用。Stt7/STN7也能通過(guò)Cytb6/f中的植酸尾巴接近Q0位點(diǎn)的單個(gè)葉綠素a分子來(lái)感知PQH2與Q0位點(diǎn)的結(jié)合。Cytb6/f表面靠近葉綠素的幾個(gè)位點(diǎn)可以通過(guò)脂類的介導(dǎo)形成1個(gè)適合與Stt7/STN7互作的接觸面[29]。Stt7/STN7的激活將通過(guò)Stt7/STN7所形成的二聚體中間的二硫鍵來(lái)觸發(fā)，將信號(hào)傳送至類囊體膜基質(zhì)一側(cè)，與此同時(shí)，PetC在Cytb6/f的內(nèi)部來(lái)回不斷移動(dòng)，反復(fù)將Stt7/STN7激活。另外，在LHCII的磷酸化過(guò)程中，Stt7/STN7與Cytb6/f的結(jié)合逐漸加強(qiáng)，并趨于穩(wěn)定[29]。

2.4 光系統(tǒng)I

當(dāng)植物受到高光強(qiáng)脅迫時(shí)，過(guò)量的光量子會(huì)誘導(dǎo)光抑制的發(fā)生[30]。PSI的受體端吸附著大量的氧化酶類，它們通過(guò)光合電子傳遞鏈在葉綠體中產(chǎn)生單線態(tài)氧和超氧陰離子等，通過(guò)酶促與非酶促反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)氧化氫，過(guò)氧化氫在有還原態(tài)金屬離子存在情況下會(huì)轉(zhuǎn)化成為羥基自由基(·OH)，對(duì)PSI造成破壞[30]。為了防止類囊體膜中產(chǎn)生過(guò)量的ROS，需要跨類囊體膜建立質(zhì)子梯度，以抑制光合電子傳遞鏈的過(guò)度還原狀態(tài)。研究表明，擬南芥ATP合酶突變體hope2中由于抑制了跨膜H+梯度的形成，與野生型相比PSI在光照下更加脆弱，更易遭受光抑制[31]。這表明，為了抑制PSI中ROS的產(chǎn)生，葉綠體ATP合酶可通過(guò)調(diào)節(jié)類囊體膜上的氫離子通量來(lái)調(diào)節(jié)光合電子傳遞鏈的氧化還原狀態(tài)[31]。另一方面，光合電子傳遞鏈中的梅勒(Mehler)反應(yīng)，即假環(huán)式電子傳遞(PET, pseudocyclic electron transport)，對(duì)PSI也有光保護(hù)作用，即一分子氧在PSI還原側(cè)被PSII中由水的光解形成的電子還原，重新形成兩分子水，清除了超氧化物和過(guò)氧化氫，同時(shí)消耗PSII激發(fā)能和PSI中的電子，從而使PSI保持在相對(duì)氧化的狀態(tài)，保護(hù)其免受破壞。

2.5 ATP合酶

蕓苔屬植物的葉綠體中CF1-β亞基有56 ku和54 ku 2種[32]。這兩種小亞基在葉綠體發(fā)育的過(guò)程中與在成熟的類囊體膜中共存。LiDS-PAGE結(jié)果表明，56 ku是 CF1-β亞基的主要亞型。但是，在高光強(qiáng)脅迫下，54 ku CF1-β顯著增加，高光強(qiáng)處理8～10 h后，含量增加了9倍[32]。因此推測(cè)，54 ku CF1-β亞型蛋白是響應(yīng)高光強(qiáng)脅迫的。ATP合酶的激活會(huì)降低整個(gè)類囊體膜的質(zhì)子梯度，并增強(qiáng)PSII和PSI之間的能量傳導(dǎo)。因此，54 ku CF1-β亞型的過(guò)度積累可能是一種防止類囊體腔和細(xì)胞質(zhì)子化過(guò)度的調(diào)節(jié)途徑[33]。故有理由推測(cè)，在光脅迫的應(yīng)答過(guò)程中，54 ku CF1-β蛋白的積累可能對(duì)減輕類囊體管腔的過(guò)度質(zhì)子化有著積極的作用[33]。

3 總結(jié)與展望

當(dāng)植物暴露在光脅迫條件下，類囊體膜上的膜脂和蛋白組分能夠快速響應(yīng)，并幫助植物適應(yīng)這種逆境環(huán)境。膜脂依賴自身的流動(dòng)性和trans-16:1改變大分子的聚集程度，影響受損蛋白向修復(fù)場(chǎng)所——基質(zhì)類囊體的遷移；PSII核心蛋白復(fù)合物則主要響應(yīng)磷酸化與去磷酸化過(guò)程，參與PSII的損傷修復(fù)；Cytb6/f一方面能平衡LET和CET電子流，另一方面還能參與光合狀態(tài)轉(zhuǎn)換介導(dǎo)能量的不均勻激發(fā)；PSI可以通過(guò)光保護(hù)來(lái)抑制ROS產(chǎn)生，阻止氧化損傷加??；ATP合酶則依賴類囊體膜的質(zhì)子梯度介導(dǎo)能量在PSII與PSI的傳導(dǎo)，保證能量傳導(dǎo)的均一性。綜上所述，類囊體膜脂和蛋白復(fù)合體能幫助植物快速適應(yīng)高光環(huán)境。

葉綠體類囊體膜的膜脂和蛋白質(zhì)復(fù)合體一直是光合作用研究的熱點(diǎn)。目前，有關(guān)葉綠體類囊體膜系統(tǒng)的主要4種高豐度蛋白復(fù)合體的研究已經(jīng)較為詳細(xì)，但葉綠體類囊體大量未知小蛋白亞基還有待研究[34]。在植物細(xì)胞中不同種類的蛋白質(zhì)的豐度差異非常明顯，變化范圍可達(dá)多個(gè)數(shù)量級(jí)。很多類囊體膜蛋白具有低豐度、疏水性等特點(diǎn)，在很大程度上給膜蛋白的富集提取和分離鑒定帶來(lái)了困難。這些低豐度膜蛋白往往發(fā)揮某些重要的生理功能，比如，位于PSII反應(yīng)中心外部的小分子輔助亞基和PSI中含有的小分子內(nèi)周蛋白，它們可能對(duì)光合蛋白復(fù)合體的組裝和穩(wěn)定有著重要的意義，具體的機(jī)理還有待挖掘。同時(shí)，在高豐度蛋白干擾的情況下，增加了對(duì)低豐度蛋白的檢測(cè)和深入研究的困難。隨著膜蛋白提取技術(shù)的升級(jí)和蛋白質(zhì)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，更多的低豐度蛋白會(huì)被鑒定和解析，植物的光適應(yīng)機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也會(huì)更加清楚，最終為作物的遺傳改良和人工光合奠定理論基礎(chǔ)。