擬南芥維生素K環(huán)氧化物還原酶參與光保護機制的研究.pdf

1、光保護機制是植物針對強光對光合作用的光抑制甚至光破壞所進化出的一系列適應機制，主要包括依賴葉黃素循環(huán)的熱耗散機制和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)關(guān)鍵組份D1蛋白周轉(zhuǎn)機制等。葉黃素循環(huán)中關(guān)鍵酶紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化物酶(violaxanthin de-epoxidase，VDE)定位于類囊體腔內(nèi)，其活性依賴二硫鍵的形成。最近研究表明擬南芥類囊體膜上的維生素K環(huán)氧化物還原酶(Vitamin K epoxide reductase，VKOR)參與二硫鍵的形成，且

2、氧化還原活性對PSⅡ的組裝是必需的。VKOR是否參與調(diào)節(jié)葉黃素循環(huán)及D1蛋白周轉(zhuǎn)，這對于深入闡明植物光保護機制具有重要的理論意義。本實驗以野生型(WT)、VKOR缺失突變體（vkor-2）和轉(zhuǎn)基因補償型(vkor-2C)擬南芥為實驗材料，通過使用二硫蘇糖醇（1，4-dithiothreitol，DTT）調(diào)控VDE的活性從而影響葉黃素循環(huán)，硫酸鏈霉素(Streptomycin sulphite，SM)抑制葉綠體編碼蛋白質(zhì)合成從而調(diào)控D1蛋

3、白周轉(zhuǎn)，研究不同光強條件下VKOR基因的表達與葉黃素循環(huán)及D1蛋白周轉(zhuǎn)兩個光保護途徑的關(guān)系，主要研究結(jié)果如下:
　　(1)VKOR缺失影響PSⅡ反應中心的活性，加重光抑制。最大光化學效率(Fv/Fm)和實際光化學效率(ΦPSⅡ)能夠反映PSⅡ反應中心的活性，在正常生長光(120μmol·m-2·s-1)條件下，野生型(WT)葉片的Fv/Fm為0.81±0.04左右，然而VKOR缺失突變體（vkor-2）葉片的Fv/Fm為0.53±

4、0.03左右;強光(1000μmol·m-2·s-1)導致最大光化學效率下降，vkor-2突變體葉片的Fv/Fm下降幅度比野生型大。ΦPSⅡ與Fv/Fm的趨勢是一致的。轉(zhuǎn)基因補償型(vkor-2C)與WT的變化趨勢相似，以上實驗結(jié)果表明VKOR的缺失導致PSⅡ反應中心活性受到嚴重的傷害，光抑制增強。
　　(2) VKOR缺失影響依賴于葉黃素循環(huán)的熱耗散。在強光脅迫條件下，高等植物能夠以一種有效的非光化學猝滅(nonphochemi

5、cal fluorescence quenching，NPQ)的方式將過剩光能以熱能的形式耗散掉，從而保護光合機構(gòu)免遭光破壞。NPQ是一種重要的激發(fā)能耗散機制，它需要葉黃素循環(huán)的參與。強光(1000μmol·m-2·s-1)照射后，vkor-2突變體葉片的NPQ比WT葉片的低。DTT處理抑制葉黃素循環(huán)后，導致NPQ大幅度下降，且WT葉片的NPQ下降幅度比vkor-2突變體大，vkor-2C植株的變化與WT相似。實驗結(jié)果表明，VKOR缺失

6、抑制葉黃素循環(huán)，從而影響依賴于葉黃素循環(huán)的熱耗散。
　　(3) VKOR調(diào)控VDE的氧化還原狀態(tài)從而影響葉黃素循環(huán)介導的熱耗散。葉黃素循環(huán)中脫環(huán)氧化組份玉米黃質(zhì)(Zeaxanthin，Zea)直接參與熱耗散，而Zea是紫黃質(zhì)(Violaxanthin，Vio)通過VDE的催化作用脫環(huán)氧化經(jīng)花藥黃質(zhì)(Antheraxanthin，Ant)生成的。為了進一步確定VKOR是否調(diào)控VDE的活性，檢測了葉黃素循環(huán)中Vio、Ant和Zea各組

7、份的變化，計算出葉黃素循環(huán)中色素的脫環(huán)氧化程度(de-epoxidation index,DEI)，用于反映葉黃素循環(huán)狀態(tài)及VDE酶的活性。在1000μmol·m-2·s-1強光脅迫下，未經(jīng)DTT處理，vkor-2突變體葉片的DEI比WT及vkor-2C葉片的低;DTT處理后，vkor-2突變體葉片的DEI下降幅度比WT及vkor-2C小。結(jié)果表明VKOR缺失影響了葉黃素循環(huán)中VDE的活性，導致葉黃素循環(huán)介導的熱耗散能力降低。
　

8、　(4)強光條件下VKOR缺失加快了D1蛋白的降解，從而影響D1蛋白周轉(zhuǎn)途徑。通過D1蛋白周轉(zhuǎn)可部分恢復強光脅迫引起的PSⅡ反應中心的失活，從而保護光合機構(gòu)。SM處理可抑制D1蛋白合成，在正常生長光或強光下，SM處理使vkor-2突變體葉片的Fv/Fm下降幅度比WT和vkor-2C大，暗示著vkor-2突變體葉片的D1蛋白降解比WT的多，導致失活的PSⅡ反應中心不能及時得到修復。Western-Blotting進一步分析表明，在正常生長