Plant Com | 伦敦玛丽女王大学Alexander Ruban团队揭示PsbS蛋白在调控植物光保护中的关键特征

文摘   2024-11-11 17:14   上海  



 Abstract 

摘 要

2024年10月28日,伦敦玛丽女王大学的Alexander Ruban团队在Plant Communications 上发表了题为“Distinct features of PsbS essential for mediating plant photoprotection”的研究论文,揭示了PsbS蛋白在植物光保护中的关键氨基酸区域及其动态变化机制,为理解植物光捕获调节提供了新见解。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101179




研究背景

 Background

光合作用是植物将光能转化为化学能的关键过程,涉及光捕获复合体(LHCs)在光合膜内的能量吸收与传递。随着光强度的增加,LHCs可能会吸收超过植物进行碳固定所需的激发能量,若不加以调节,过量的能量会导致光合系统的损伤,尤其是光系统II(PSII)的光抑制。为减轻这种光损伤,植物进化出了非光化学猝灭(non-photochemical quenching, NPQ)机制,能够迅速将多余的光能以热的形式散发,实现光保护。在NPQ中,能量依赖性叶绿素荧光淬灭(qE)是其主要组成部分,由跨类囊体pH梯度(ΔpH)驱动,能够在几秒到几分钟内迅速激活和解除。qE的有效性在很大程度上依赖于PsbS蛋白的存在。PsbS是一种主要存在于光合细胞类囊体膜中的小型蛋白,在调节LHCs的光捕获状态和促进光能安全散发中起着至关重要的作用。研究表明,PsbS的丰度与qE的诱导和松弛速率密切相关。某些氨基酸突变,特别是两个谷氨酸残基(E69和E173),会导致qE的完全失活,这些残基的质子化被认为在PsbS的二聚体-单体转变过程中起着关键作用。PsbS的二聚体-单体转变使其能够在光照条件变化时迅速适应,增强与LHCs的相互作用,从而有效调节光捕获状态。这一转变不仅影响PsbS的功能,还可能对类囊体膜的结构动态产生影响,进一步促进光能的安全散发。然而,关于PsbS如何稳定LHC中的qE并维持其活性,以及PsbS在类囊体膜结构中发挥的结构性作用仍缺乏实验证据,亟需进一步研究以阐明其机制。


研究内容

Contents

该研究首先基于菠菜PsbS蛋白的晶体结构和前人的研究成果,精确定位了本研究中突变和删除的氨基酸残基(图1),生成了一系列PsbS点突变体。这些突变体包括位于腔环中间的两个谷氨酸残基(E69和E173),跨膜螺旋2(TM2)和跨膜螺旋4(TM4)中的苯丙氨酸残基(F83、F84、F87、F191、F193和F194),以及位于TM2末端的H3基序(I74、Y75和E76),以评估这些位点对PsbS活性的影响。

图1 PsbS蛋白点突变位点的定位

研究者进一步使用化学交联剂(DTSSP)来稳定PsbS的二聚体,并在不同光照条件下(如黑暗适应、光照、恢复状态)评估突变体的NPQ特性(图2)。结果表明,E69QE173Q突变体完全失去了PsbS的活性,导致其在光照下的NPQ显著抑制,显示出这两个残基在PsbS活性中的重要性。此外,F83YF84YF87Y和F191YF193YF194Y突变体的NPQ幅度也显著降低,进一步支持了PsbS的结构与功能之间的密切关系。研究还发现,H3突变体在NPQ诱导动力学上与野生型相似,但NPQ的恢复速度显著减慢,表明H3结构在PsbS功能中起着重要作用。

图2 PsbS突变体的NPQ幅度和动力学特征

最后,研究人员利用ESMFold方法重建了野生型和突变型PsbS的三级蛋白结构。结果显示,突变并未显著改变蛋白质的整体结构,表明NPQ的变化主要是由于氨基酸域的变化,而非蛋白质结构的错折。这一发现为理解PsbS在光合作用和光保护中的功能提供了新的视角。

图3 PsbS在体内介导qE产生的模型


综上所述,本研究通过精确的突变位点分析以及分子动力学模拟,深入揭示了PsbS在光合作用中的光保护机制(图3),为未来提高作物光合作用效率和适应性提供了重要的实验依据和理论基础。

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