南开教授在植物光合领域取得研究新突破

南开教授在植物光合领域取得研究新突破

稳定提高植物光合作用效率是生命科学和农业科学研究的焦点。光是植物光合作用的底物,但是强光等光逆境会对参与光合作用的酶蛋白产生损伤,从而降低光合作用效率,因此发现并修复光损伤蛋白质是稳定提高光合作用效率的重要前提。南开大学生命科学学院李磊教授联合澳大利亚西澳大学Harvey Millar教授和澳大利亚国立大学Barry Pogson教授等六家国际科研团队,利用蛋白质质谱分析平台,系统解析了模式植物拟南芥高光损伤的蛋白质周转率,发现了新的光损伤蛋白质酶稳态调控机制。日前,该研究突破在线发表在国际权威学术杂志《美国科学院院刊》(PNAS)上。

光逆境引起的光抑制会降低光合作用产率,造成农作物和经济作物大幅度的减产,是挑战现代农业的重要非生物逆境因素。几十年前,科研人员发现了光系统II中心蛋白质D1会受到光损伤,D1蛋白质的降解和修复如果受到影响就会引起光系统II光抑制,而D1蛋白质的高周转率是植物学领域内的经典发现。

李磊教授研究团队创建了蛋白质周转率测定的蛋白质质谱分析平台,利用稳定同位素13CO2标记,发现了高强度光照可以激活包括D1在内的七十多种蛋白质周转率快速升高,多组学分析发现高光激活蛋白酶表达激活和蛋白质降解类氨基酸的快速富集,证实了高光引发广泛的蛋白质降解。研究发现,虽然蛋白质因为光损伤发生快速降解,多数蛋白质的编码基因被高光激活表达,蛋白质的丰度并未发生明显变化,而仅有少数蛋白质的编码基因未被激活,蛋白质水平呈现降低趋势,从而成为光损伤的蛋白质靶点。

该发现解决了长久以来困扰生物学家的基因表达发生显著激活,而蛋白质稳态得以维持的生物学问题,阐明了光合蛋白酶编码基因高光激活表达用于蛋白质降解的修复,而非提高蛋白质的丰度。光合作用细胞器叶绿体内的细胞核编码蛋白质基因能够快速对光损伤做出转录水平的应答,但是叶绿体编码蛋白质的基因却不能够做出转录水平的应答,只能依靠转录后调控应对光损伤引起的蛋白质降解。该研究揭示了高光照激活代谢流,代谢流驱动蛋白酶的级联反应,从而激活蛋白质的快速周转。新发现的植物自身无法修复的光损伤蛋白质将成为重要的靶标蛋白质,为未来稳定提高光合作用效率应用研究奠定了基础。

南开大学生命科学学院李磊教授是该文的第一兼共同通讯作者,李磊教授2018年入选南开大学“百青计划”,该项目得到国家自然基金委、天津市科技局和南开大学细胞应答交叉中心的支持。

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