生命科學學院邱保勝教授課題組在藍藻光系統I組裝方面取得重要進展

華大在線訊（通訊員 朱瀟瀟）近日，國際著名學術期刊The Plant Cell在線發表我校邱保勝課題組題為“Hypothetical chloroplast reading frame 51 encodes a photosystem I assembly factor in cyanobacteria”的研究論文，在藍藻中新發現一個光系統I組裝因子。

光合作用是生物地球化學循環的核心反應，是糧食產量的基礎，深入揭示光合作用的生物發生機制具有重要的理論與現實意義。藍藻是地球上最早出現的產氧光合生物，為葉綠體的演化祖先，是光合演化研究的“活化石”。相嵌于類囊體膜中的兩大色素蛋白復合體—光系統I（PSI）與光系統II（PSII），是實現光能轉化的關鍵分子機器，其生物發生機制一直是國際研究熱點。相較于PSII而言，PSI由于組裝過程極其迅速，其具體組裝機制仍不清楚。

該研究以模式藍藻—集胞藻PCC 6803為研究材料，通過反向遺傳學思路，定點敲除12個未知功能的候選基因，最終篩選獲得光合自養生長缺陷型ycf51突變株。ycf51基因敲除后PSII下游光合電子傳遞明顯受阻，PSI與PSII的比例顯著降低，PSI組成亞基在蛋白水平上明顯降低，PSI三聚體顯著減少，而轉錄本與野生型沒有明顯變化，這表明Ycf51在轉錄后水平調控PSI的積累。

蛋白互作分析表明，Ycf51可與PSI組裝必需因子Ycf3，以及PSI亞基PsaC發生相互作用。Ycf51缺失后不影響PSI的穩定性，且Ycf3總蛋白含量并不受影響，但類囊體膜上黏附的Ycf3含量增多，這暗示Ycf51與Ycf3一起參與PSI組裝。分離光合復合體并分析各組分中蛋白含量的變化，發現Ycf51參與PSI組裝要晚于Ycf3的作用，且二者在復合體組分上有一定重疊。分子對接模擬表明，Ycf51可在不同區域與Ycf3及PsaC亞基互作。結合三者非穩定性結合的特征，推測Ycf3先參與PSI核心亞基的組裝，然后與Ycf51互作，進而將PsaC亞基裝配到PSI核心復合體的胞質側。一旦Ycf51缺失，將直接影響PsaC亞基的組裝，同時由于Ycf3過度富集于類囊體膜上，也降低了PSI核心亞基的組裝效率，導致PSI蛋白水平整體下降。

生物信息學分析表明，Ycf51在所有藍藻和真核灰胞藻中高度保守，但在光合細菌、真核藻類（紅藻、綠藻等）以及有胚植物中并不存在，暗示Ycf51為一種演化上古老的PSI組裝因子。擬南芥中存在一種能與Ycf3互作的PSI組裝因子Y3IP1， 但該蛋白并不能回補藍藻Ycf51缺失的表型，這表明藍藻PSI組裝具有一定的特殊性。Ycf51是迄今所報道的首個藍藻特有的PSI組裝因子，為光系統的演化形成機制研究提供了借鑒。

該研究歷經九年時間完成，得到國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目與湖北洪山實驗室項目資助。戴國政副教授為該論文第一作者，已畢業博士生宋煒鈺、徐海鋒副研究員為共同第一作者，屠渺、于晨等研究生、劉珂副教授和張錚博士參與該項研究，德國馬普分子植物生理學研究所Ralph Bock教授對該工作有重要貢獻，邱保勝教授為論文通訊作者，華中師范大學為第一完成單位。

附全文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad330/7499161

（審讀人：徐芬 謝波）