快速生长生态型蓝藻Synechococcus elongatus 2973光合膜高效转化光能的超分子结构基础
批准号:
32100200
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵龙生
依托单位:
学科分类:
植物光合与固氮
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵龙生
中文摘要
快速生长生态型蓝藻Synechococcus elongatus 2973(Syn2973)光合效率可达同种模式蓝藻Syn7942的两倍,高效光合作用能够更加高效转化利用光能。目前有关Syn2973高效光合作用的研究主要集中于遗传、生理、生化层面。光合光能转化由光合膜上多种光合复合物协作完成,然而Syn2973光合膜高效转化光能的超分子结构基础尚未被阐明。本项目将首先比较不同光强下Syn2973与Syn7942的光合效率、光合复合物含量及性能,揭示Syn2973行使高效光合作用的关键光合复合物;然后利用原子力显微镜技术比较不同光强下两者的光合膜超分子结构,揭示Syn2973光合复合物的特殊结构状态、排布模式及相互作用;最后结合生理特性及超分子结构,阐明Syn2973光合膜高效转化光能的超分子结构基础。该研究将加深对蓝藻高效利用光能的认识,为调控植物光合效率及构建高效人工光合膜提供理论基础。
英文摘要
The photosynthetic efficiency of a fast-growing cyanobacterium ecotype Synechococcus elongatus 2973 (Syn2973) can reach twice that of the type species of congeneric cyanobacteria, Synechococcus elongatus 7942 (Syn7942). Efficient photosynthesis can convert and utilize light energy more efficiently. Many studies about the efficient photosynthesis of Syn2973 have been performed from the perspective of genetics, physiology, and biochemistry. Photosynthetic light energy conversion is conducted by the collaboration of various photosynthetic complexes in photosynthetic membrane. However, the supramolecular architecture basis for efficient conversion of light energy by photosynthetic membrane in Syn2973 remains unknown. In this project, Syn2973 and Syn7942 will be grown under different light intensities and used for further experiments. First, we will analysis the differences of their photosynthetic efficiency, and the content and capacity of their photosynthetic complexes to reveal the key photosynthetic complex for efficient photosynthesis of Syn2973. Then, we will investigate the supramolecular structures of their photosynthetic membranes using atomic force microscopy to reveal the special configuration, arrangement, and interaction of photosynthetic complexes of Syn2973. At last, comprehensively analyze the physiological properties and the supramolecular structures of photosynthetic membranes to elucidate the supramolecular architecture basis for efficient conversion of light energy by photosynthetic membrane in Syn2973. This work will deepen our understanding of efficient utilization of light energy in cyanobacteria and offer a theoretical underpinning for regulating the photosynthetic efficiency of plants and constructing efficient artificial photosynthetic membranes.
高等植物、真核藻类及原核蓝藻的光合作用依赖于光合膜上多种大分子光合复合物的精密协作,包括光系统I(PSI)、光系统II(PSII)、细胞色素b6f复合体(Cyt b6f)、ATP合成酶(ATPase)、type-I NADH脱氢酶(NDH-1)等。光合膜上光合复合物的含量、结构状态、排布模式以及相互作用与光合效率密切相关,是光能转化的结构基础。快速生长生态型蓝藻Synechococcus elongatus 2973(Syn2973)的光合效率是同种模式蓝藻Syn7942的三倍,能够更加高效的转化利用光能。然而,目前缺乏对Syn2973光合膜高效转化光能的超分子结构基础的研究。 该研究发现,Syn2973光合膜上存在PSI的聚集区域以及PSII的阵列排布区域,形成区域隔离。PSII阵列与周围的PSI及NDH-1紧密相邻,为高效的光合电子传递提供了良好的结构基础。该团队在前期工作中利用原子力显微镜已对Syn7942天然光合膜的结构进行了系统研究(Zhao et al., Nature Plants 2020, 6: 869-882)。与Syn7942相比,Syn2973光合膜在高光条件下含有更多的PSI,但不含有高光诱导蛋白IsiA,因此不形成IsiA-PSI超复合物。PSI的增多能够更有效的利用来自上游的电子,提高了电子传递及光能转换的效率。IsiA蛋白的未表达也说明电子传递的高效性,未形成多余的电子累积,产生活性氧,诱导IsiA蛋白表达。研究还发现,高光及缺铁条件下,NDH-1复合物的含量均升高,并且与PSI形成紧密相互作用,促进了环式电子传递,减少光损伤。该研究利用高分辨率原子力显微镜技术,对蓝藻Syn2973光合膜——类囊体膜进行了高分辨率成像,在纳米水平上展示了类囊体膜上光合复合物的天然结构及相互结合方式,揭示了不同环境中Syn2973光合膜的异质性及光合装置的适应性。研究结果可以加深我们对高效光合作用的理解,为改造提高植物的光合效率,增加生物量及粮食产量以及构建高效人工光合膜,生产清洁能源提供理论基础。
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