褐藻两个光系统的色素-蛋白质复合物的分离及特性研究

以褐藻裙带菜(Undaria pinnatifida)、萱藻(Scytosiphon lomentarius)、海蒿子(Sargassum confusum)、叉开网地藻(Dictyopteris divaricata)、海带(Laminaria japonica)、囊藻(Colpomenia sinuosa)、鼠尾藻(Sargassum thunbergii)、水云(Ectocarpus confervoides)为材料，对其色素-蛋白质复合物的分离技术及其特性进行了系统研究。通过对裙带菜色素-蛋白质复合物分离技术及其影响因素的研究，确立了褐藻的PAGE分离方法。采用Tris-Gly电泳分离系统，以非离子去污剂DMG或DIG为增溶剂(DMG: Chl=20: 1, DIG: Chl=50: 1, 4 ℃增溶1 h)，10%的分离胶浓度，丙烯酰胺与甲叉双丙烯酰胺的比例为30: 0.8,从裙带菜中成功地分离出8条含色素的蛋白质复合物带。采用Anderson命名系统，以高等植物菠菜为参照，将其命名为CPIa, CPI, CPa, LHC_1, LHC_2, LHC_3, LHC_4和LHC_5。游离色素较少。通过对三种褐藻的色素-蛋白质复合物的表观分子量测定、光谱学研究以及对裙带菜色素-蛋白质复合物的多肽组成分析，揭示了褐藻各种色素-蛋白质复合物的特征。CPIa是褐藻分子量较大的PSI复合物，为墨角藻黄素-叶绿素 a/c-蛋白质复合物。CPI是褐藻的PSI核心复合物，为P700-叶绿素 a-蛋白质复合物。CPa是褐藻的PSII复合物，为墨角藻黄素-叶绿素 a/c-蛋白质复合物。其余5条为捕光色素-蛋白质复合物，LHC_1和LHC_3是墨角藻黄素-叶绿素 a/c-蛋白质复合物，LHC_2, LHC_4和LHC_5是叶绿素 a/c-蛋白质复合物。根据裙带菜色素-蛋白质复合物的多肽分析结果并与高等植物比较，提出褐藻PSI和PSII的结构模型。褐藻PSI和PSII的反应中心多肽与高等植物相同，捕光复合物明显区别。褐藻LHCI和LHCII的多肽组成相同，都是由单一的20 kDa多肽组成。褐藻叶状体、叶绿体、类囊体膜和PSI复合物的77 K 荧光发射光谱具有特异性，缺少高等植物PSI特征的730 nm 荧光峰。叶状体的77 K 荧光发射光谱按荧光主峰的波长分为两种类型，一种类型的荧光主峰在690 nm，另一种类型的在705-720 nm。三种褐藻PSI复合物的77 K 荧光发射光谱相同，有两个分别们于680 nm和715 nm 的发射峰。褐藻的77 K 荧光特异是由PSI的结构决定的。根据褐藻PSI复合物的荧光特性以及去污剂增溶动力学分析结果，推动F715来自褐藻核心色素-蛋白质复合物，F680来源于PSI复合物中的捕光复合物。褐藻PSI复合物中缺少高等植物发射730 nm 荧光的LHCIb复合物的能量传递模型。

管藻目绿藻 PSI 和 PSII 结构特异性研究

测定了管藻目绿藻刺松藻和假根羽藻的叶状体、叶绿体及类囊体膜的吸收光谱和低温荧光光谱，并同软丝藻等5种非管藻目绿藻和菠菜进行了比较。证实绿藻普遍缺少作为高等植物 PSI 标志的 730nm 的低温长波荧光，其长波发射峰在 710 ～ 715nm 以及 695nm 荧光也不明显。采用和的 PAGE 法从刺松藻、假根羽藻、软丝藻和菠菜中分别得到 11 种、11 种、7 种和 9 种色素蛋白复合物，并测定了各复合物的分子量、Chl a/b、叶绿素的分布、多肽组成和结构关系，以及吸收光谱、低温荧光发射和激发光谱等各种光谱特性。刺松藻和假根羽藻的 CPIa_(1-2) 复合物的荧光发射主峰分别在 698、690 和 685nm，软丝藻 CPIa 在 715nm，菠菜 CPIa_(1-2) 分别在 729 和 722nm。两种管藻目绿藻的 LHCI 与 CII 的结合程度较菠菜和软丝藻更紧密，其 CPI 复合物中仍含有一定量的，710 ～ 715nm 荧光呈隐现状态。用二次 PAGE 法将刺松藻和假根羽藻的 CPIa 和 CIP 再分离，得到 PSI 的捕光复合 LHCI，为管藻黄素-Chl a/b-蛋白复合物， Chl a/b=1.2，含有 27.5、26.2、26 和 24.5kDa 四种多肽，77K 荧光峰在 682 ～ 683nm。LHCI 没有发射高等植物 730nm 荧光的相应组分是管藻目绿藻缺少 730nm 荧光的主要原因。核心复合物 CCI 含有 67 和 56kDa 两种多肽，与软丝藻和菠菜相似，但 3 种藻类核心复合物的 77K 荧光峰在 715nm，而菠菜在 720nm。刺松藻和假根羽藻有 LHCI 存在时，715nm 荧光峰不明显，随着 LHCI 的解离，荧光逐渐显现。刺松藻 PSI 中与 CCI 结合最紧密的是 LHCI 的 27.5 和 24.5kDa 多肽，两个 26 kDa 多肽的结合较为松散。用差速离心法对刺松藻、假根羽藻、软丝藻及菠菜的 PSI 颗粒进行了初步的分离。PSI 粗提物的 77K 长波荧光发射峰分别在 710、712、713 和 730nm，与 PAGE 法得到的结果相符。刺松藻和假根羽藻的 PSII 核心复合物 CPa 与菠菜相同，都含有两个 33kDa 核心多肽及 40 ～ 47 kDa 的内天线蛋白。从两种管藻目绿藻中首次分离到 6 种 LHCII 捕光复合物，其中 LHCP_(1-3)，四种都是管藻黄素- Chl a/b-蛋白复合物， Chl a/b=0.7 ～ 0.9。刺松藻和假根羽藻中含量最高、最稳定的捕光复合物是分子量最大的 LHCP_1 由 34.4、31.5、29.5、28.1 和 26.5kDa 多肽构成，其中 34.4 和 31.5kDa 多肽在菠菜和软丝藻中没有对应组分。LHCP_1 再分离结果表明，分子量较小的捕光复合物都是 LHCP_1 的组成部分，但分子量最小的 Fca_1 和 Fca_2 与其它复合物的关系尚不确定。31.5 和 29.5 kDa 多肽是 LHCP_1 的核心，34.4、28.1 和 26.5kDa 多肽位于外侧；整个 LHCP_1 以 28.1 和 26.5kDa 多肽与 CCII 紧密结合，构成 PSII。根据刺松藻和假根羽藻光系统结构及其特异性的研究结果，提出了一个管藻目绿藻 PSI 和 PSII 色素蛋白复合物结构关系模型，并与高等植物的模型做了比较。讨论了光合作用两个光系统结构和特性的进化过程，指出 730nm 低温荧光峰不能作为管藻目乃至非管藻目绿藻 PSI 的表征。管藻目绿藻同杂色藻类在这方面有相似性。