Influence of dew on biomass and photosystem II activity of cyanobacterial crusts in the Hopq Desert, northwest China

Dew is an important water source for desert organisms in semiarid and arid regions. Both field and laboratory experiments were conducted to investigate the possible roles of dew in growth of biomass and photosynthetic activity within cyanobacterial crust. The cyanobacteria, Microcoleus vaginatus Gom. and Scytonema javanicum (Kutz.) Born et Flah., were begun with stock cultures and sequential mass cultivations, and then the field experiment was performed by inoculating the inocula onto shifting sand for forming cyanobacterial crust during late summer and autumn of 2007 in Hopq Desert, northwest China. Measurements of dew amount and Chlorophyll a content were carried out in order to evaluate the changes in crust biomass following dew. Also, we determined the activity of photosystem II(PSII) within the crust in the laboratory by simulating the desiccation/rehydration process due to dew. Results showed that the average daily dew amount as measured by the cloth-plate method (CPM) was 0.154 mm during fifty-three days and that the crust biomass fluctuated from initial inoculation of 4.3 mu g Chlorophyll a cm(-2) sand to 5.8-7.3 mu g Chlorophyll a cm(-2) crust when dew acted as the sole water source, and reached a peak value of approximately 8.2 mu g Chlorophyll a cm(-2) crust owing to rainfalls. It indicated that there was a highly significant correlation between dew amounts and crust moistures (r = 0.897 or r = 0.882, all P < 0.0001), but not a significant correlation between dew and the biomass (r = 0.246 or r = 0.257, all P > 0.05), and thus concluded that dew might only play a relatively limited role in regulating the crust biomass. Correspondingly, we found that rains significantly facilitated biomass increase of the cyanobacterial crust. Results from the simulative experiment upon rehydration showed that approximately 80% of PSII activity could be achieved within about 50 min after rehydration in the dark and at 5 degrees C, and only about 20% of the activity was light-temperature dependent. This might mean that dew was crucial for cyanobacterial crust to rapidly activate photosynthetic activity during desiccation and rehydration despite low temperatures and weak light before dawn. It also showed in this study that the cyanobacterial crusts could receive and retain more dew than sand, which depended on microclimatic characteristics and soil properties of the crusts. It may be necessary for us to fully understanding the influence of dew on regulating the growth and activity of cyanobacterial crust, and to soundly evaluate the crust's potential application in fighting desertification because of the available water due to dew. (C) 2009 Published by Elsevier Ltd.

Effects of iron on growth, pigment content, photosystem II efficiency, and siderophores production of Microcystis aeruginosa and Microcystis wesenbergii

Changes in growth, photosynthetic pigments, and photosystem II (PS II) photochemical efficiency as well as production of siderophores of Microcystis aeruginosa and Microcystis wesenbergii were determined in this experiment. Results showed growths of M. aeruginosa and M. wesenbergii, measured by means of optical density at 665 nm, were severely inhibited under an iron-limited condition, whereas they thrived under an iron-replete condition. The contents of chlorophyll-a, carotenoid, phycocyanin, and allophycocyanin under an iron-limited condition were lower than those under an iron-replete condition, and they all reached maximal contents on day 4 under the iron-limited condition. PS II photochemical efficiencies (maximal PS II quantum yield), saturating light levels (I-k ) and maximal electron transport rates (ETRmax) of M. aeruginosa and M. wesenbergii declined sharply under the iron-limited condition. The PS II photochemical efficiency and ETRmax of M. aeruginosa rose , whereas in the strain of M. wesenbergii, they declined gradually under the iron-replete condition. In addition, I-k of M. aeruginosa and M. wesenbergii under the iron-replete condition did not change obviously. Siderophore production of M. aeruginosa was higher than that of M. wesenbergii under the iron-limited condition. It was concluded that M. aeruginosa requires higher iron concentration for physiological and biochemical processes compared with M. wesenbergii, but its tolerance against too high a concentration of iron is weaker than M. wesenbergii.

Isolation and characterization of photosystem II of Porphyra yezoensis ueda

The thylakoid membranes were isolated and purified from gametophyte of Porphyrayezoensis Ueda (P yezoensis) by sucrose density gradient ultracentrifugation. After R yezoensis gametophyte thylakoid membranes were solubilized with SDS, the photosystem 11 (PSII) particles were isolated and purified. The activity of PSII particles was determined with DCIP (2,6-dichloroindophenol) photoreduction reaction. The composition of purified PSII particles was detected by SDS-PAGE. As a result, seven proteins including 55 kD protein, 47 kD protein, 43 kD protein, 33 kD protein, 31 kD protein, 29 kD protein, and 18 kD protein were found. Compared with PSII particles of higher plants and other algae, they were identified as D1/D2 complex, CP47, CP43, 33 kD protein, D1, D2 and cyt c-550 respectively. Besides, other three new proteins of 20 kD, 16 kD and 14 kD respectively were found. Among these extrinsic proteins, the 16 kD and 14 kD proteins had not been reported previously, and the 20 kD protein was found for the first time in multicellular red algae.

Isolation and characterization of photosystem II from the filamentous sporophyte of Porphyra yezoensis

Thylakoid membranes were isolated and purified from diploid filamentous sporophytes of Porphyra yezoensis Ueda using sucrose density gradient ultracentrifugation (SDGUC). After thylakoid membranes were solubilized with SDS, the photosystem II (PSII) particles with high 2, 6-dichloroindophenol (DCIP) photoreduction activity were isolated by SDGUC. The absorption and fluorescence spectra, DCIP photoreduction activity and oxygen evolution activity of the thylakoid membranes and PSII particles were determined. The polypeptide composition of purified PSII particles was distinguished by SDS-PAGE. Results showed that PSII particles of sporophytes differed from the gametophytes in spectral properties and polypeptide composition. Apart from 55 kDa D1-D2 heterodimer, CP47, CP43, 33 kDa protein was also detected. However, cyt c-550, 20 kDa, 14 kDa and 16 kDa proteins found in PSII particles from gametophytes were not detected in the sporophytes.

Isolation and characterization of the oxygen-evolving photosystem II complex from the economical red alga Bangia fusco-purpurea

The highly pure and active photosystem II (PSII) complex was isolated from Bangia fusco-purpurea (Dillw) Lyngb., an important economic red alga in China, through two steps of sucrose density gradient ultracentrifugation and characterized by the room absorption and fluorescence emission spectra, DCIP (2,6-dichloroindophenol) reduction, and oxygen evolution rates. The PSII complex from B. fusco-purpurea had the characteristic absorption peaks of chlorophyll (Chl) a (436 and 676 nm) and typical fluorescence emission peak at 685 nm (Ex = 436 nm). Moreover, the acquired PSII complex displayed high oxygen evolution (139 mu mol O-2/(mg Chl h) in the presence of 2.5 mM 2,6-dimethybenzoqinone as an artificial acceptor and was active in photoreduction of DCIP (2,6-dichloroindophenol) by DPC (1,5-diphenylcarbazide) at 163 U/(mg Chl a h). SDS-PAGE also suggested that the purified PSII complex contained four intrinsic proteins (D1, D2, CP43, and CP47) and four extrinsic proteins (33-kD protein, 20-kD protein, cyt c-550, and 14-kD protein).

A mechanistic model of algal photoinhibition induced by photodamage to Photosystem-II

Photoinhibition is a central problem for the understanding of plasticity in photosynthesis vs. irradiance response. It effectively reduces the photosynthetic rate. In this contribution, we present a mechanistic model of algal photoinhibition induced by photodamage to photosystem-II. Photosystem-IIs (PSIIs) are assumed to exist in three states: open, closed and inhibited. Photosynthesis is closely associated with the transitions between the three states. The present model is defined by four parameters: effective cross section of PSII, number of PSIIs, turnover time of electron transfer chains and the ratio of rate constant of damage to that of repair of D1 proteins in PSIIs. It gives a photosynthetic response curve of phytoplankton to irradiance (PI-curve). Without photoinhibition, the PI-curve is in hyperbola with the first three parameters. The PI-curve with photoinhibition can be simplified to the same form as the hyperbola by replacing either the number of PSIIs with the number of functional PSIIs or the turnover time of electron transfer chains with the average turnover time.

光系统II反应中心吸能和转能的分子机理研究

全文分两部分，(1)．PsⅡ反应中心色素分子光破坏的分子机理研究;(2)．PSⅡ反应中心原初反应的动力学机理研究。 在第一部分中，在分离纯化的光系统Ⅱ反应中心Dl/D2/Cyt b559复合物中，采用高效液相色谱技术，首次发现PSⅡ反应中心去镁叶绿素分子的光照破坏，研究了去镁叶绿素的光破坏机理，观察到PsⅡ反应中心内部存在一个与光化学活性无关的去镁叶绿素分子，从而提供了PSⅡ反应中心存在两条电子传递链的第一个实验证据，提出了去镁叶绿素对PsⅡ反应中心的光保护假说和光合作用反应中心第二条电子传递支路的光保护假说。用高效液相色谱技术还观察到PSⅡ反应中心的6个叶绿素a分子，有三种不同的存在状态，认为PSl反应中心的最小色素组成为每个反应中心含有4个叶绿素a和2个去镁叶绿素。用光破坏的方法证明PsⅡ原初电子供体P680是由两个叶绿素n分子组成，认为P680是以一个二聚体形式存在，首次发现P680的光破坏过程包含失去中心镁原子的反应。 在第二部分中，用皮秒和飞秒时间分辨光谱技术，在PsⅡ颗粒、PsⅡ核心复合物和PSⅡ反应中心三个层次上，研究了PsⅡ原初反应的动力学性质，着重研究电荷分离和PsⅡ反应中心内部的能量传递过程。结果表明，B-胡萝卜素和P680之间的能量传递时间常数为350p8左右，去镁叶绿素a与P680之间的能量传递时间为lOOp8左右，提出了可能的动力学模型。 在目前分歧最大的原初电荷分离时间常数测定这一焦点问题上，得到的初步结果表明PsⅡ反应中心电荷分离时间为3-3.5pa左右，这一结论与文献上报道的21pa不同，丽倾向于支持国际上3p8的观点。

光系统II反应中心复合物组成性质与光仰制分子机理研究

由于光系统Ⅱ反应中心Dl/D2/Cyt b559色素蛋白复合物(PSII-RC)的红 区吸收光谱严重重叠，给其组成特性研究及光抑制分子机理研究造成 了困难，因此我们运用多种光谱分析技术配合计算机数据处理技术对 PSII-RC复合物的组成特性进行了研究，并用自己建立的方法对PSII-RC 的色素和多肽的化学计量进行了进一步确定，另外还重点研究了单线 态氧在PSII-RC光破坏中的作用，据此提出新的PSD[-RC光抑制分子机 理。主要结果如下： 1．用反相HPLC外标法测定我们制备的色谱纯PSR-RC样品的色素化 学计量结果为Chl:Pheo:Car= 6:2:2。我们发现，当PSII-RC中存在微量CP47 时，Chl: Pheo的比例与CP47的含量呈正相关关系，说明较高的Chl比例 可能表示样品中有CP47污染。结果还表明PSII-RC中Car: Pheo的比例也与 CP47含量有关，说明CP47可影响Car在PSII-RC上的结合，这暗示CP47可 能结合Car，或者CP47对PSII-RC上Car的结合位点有影响，这一推测对阐 明CP47的功能有一定启发作用。 2．建立了一种估算PSII-RC多肽化学计量的理论计算方法，即利用计 算机统计PSII-RC中各多肽组分的不同氨基酸残基数量，以确定不同多 肽化学计量时的理论氨基酸残基组成，并与PSlI-RC的实测氨基酸残基 组成进行比较，得到所用PSII-RC样品的多肽化学计量值为D1+D2:Cyt b559-o+邮：I=2:1:1. 3．对PSII-RC的红区吸收光谱进行了高斯解析，发现680 nm附近含有 峰高和半高宽明显不同的两个高斯组分，它们对光抑制处理的响应具 有明显差别，分别表现了P680和Pheo的特征。由此可知，在680nm处除了 有P680的信号外，PSII-RC中的Pheo在这个区域也有跃迁组分。这个结果 表明光抑制进程中PSII-RC红区吸收光谱信号的下降除了P680的破坏 外，还与Pheo的破坏有关。 4．用Ste)anov关系式分析了PSII-RC色素激发态分布的平衡状态，发现 经过暗适应的PSII-RC的激发态可达到充分的平衡，光抑制处理可导致 PSIL-RC激发态平衡受到破坏。 5．用荧光发射光谱观察到PSII-RC在光抑制进程中有弱光破坏和强光 破坏两个破坏过程，前者是与色素间能量传递的色素结合状态与 取向的破坏，后者与色素本身化学结构的破坏有关。通过研究不同激发波长下的发射光谱发现Car的弱光破坏过程比Chl快，暗示Car可能的保护作用，而Pheo的破坏程度比Chl小。从发射光谱组分的光破坏时间 进程推断强光破坏过程导致的色素破坏是多步反应，验证我们小组原 先报导的PSII-RC的多步反应特性。 6．首次将磁圆二色光谱( MCD)技术应用于PSII-RC研究，发现MCD明显表现出比吸收光谱要丰富得多的光谱精细结构，同时还具有较高的灵敏度和分辨率，不经过任何解析就可直接观察到680 nm组分及其它色素组分的变化，而且PSⅡ-RC中的Car没有明显MCD信号，使PSII-RC谱 图简化，便于进一步分析。用MCD技术还观察到光抑制初期Chl从PSII- RC复合物上脱离及Pheo的光破坏现象。 7．分别用HPLC法、吸收光谱高斯解析法、荧光发射光谱分析法和MCD法共四种方法证明了PSII-RC中Pheo的光破坏，充分证实我们小组关于Pheo光破坏的报导，同时还证明Pheo的光破坏是单线态氧作用的结果。 8．给出了单线态氧参与PSII-RC色素和蛋白光破坏的直接实验证 据，即发现光抑制过程中色素和蛋白的破坏受到单线态氧的特异性清除剂的保护，用化学方法在暗中产生的单线态氧同样造成与光抑制相 似的PSII-RC各组分的损伤，由此说明单线态氧是PSII-RC光抑制过程中 的直接破坏因子。 9．提出了PSII-RC中Hiis残基光破坏的一种新的分子机理。用组氨酸残基的特异性化学修饰剂证实以前我们实验室发现的PSI[-RC组氨酸残基的光破坏，根据比较蛋白变性前后的测定结果，初步证明PSIl-RC中 受光破坏的His残基位于P680附近。我们还观察到光抑制处理后，PSII- RC表现与组氨酸残基被修饰后的样品相似的紫外吸收特征，由此提出 PSII-RC中His残基光破坏的一种分子机理，即His残基的眯唑环上的两个氮原子与其它多肽上的游离氨基在单线态氧的作用下发生反应形成酰 胺键而导致PsII-RC多肽间的共价交联，推测PSII-RC中His残基的光破坏与其蛋白的光致交联和降解有直接的因果联系。

光系统II复合物的光仰制特征及其内源保护机理

本文以菠菜PSⅡ颗粒PSⅡ核心复合物和PSⅡ反应中心复合物为材料通过比较光抑制处理和单线态氧处理对上述制剂色素、蛋白和光谱特性的影响，．以及光抑制对细胞色素b559 (Cyt b559)和放氧的影响，研究了PSⅡ光抑制及其内源保护机理得到如下的结果: 1)光抑制处理和外源单线态氧处理对PSⅡ具有相似的破坏特性,同时，加入单线态氧的特异性清除剂组氨酸(His)可明显遏制光抑制处理对PSⅡ各组分的破坏这些结果说明单线态氧参与了PSⅡ的光破坏过程. 2) PSⅡ蛋白组分不仅受到强光的破坏，而且在照光后暗放置过程中还继续受到破坏 这种暗放置破坏过程具有温度敏感性因此推测在光照后暗放置过程中的PSⅡ蛋白降解是酶促反应这些结果证明，PSⅡ蛋白的光破坏具有活性氧损伤和酶促水解两种可能的破坏机理． 3)首次观察到PSⅡ中Cyt b559的高电势态(qt b559 HP)的百分含量在光抑制初期上升，随后下降的现象且这种变化受到外加强His的遏制。表明光抑制产生的单线态氧参与了Cytb559 HP百分含量的改变,同时还观察到这种变化的时间进程与PSⅡ蛋白二级结构在光抑制中变化的时间进程相似后者也表现出双相变化进程这说明光抑制产生的单线态氧引起了蛋白构象的变化后者导致了Cytb559 HP百分含量的改变. 4)在不同的处理条件下，PSⅡ放氧活性的变化与Cyt b559 HP百分含量的变化具有明显的相关性它们的变化可能具有相同的原因，即PSⅡ蛋白构象的改变． 5)无氧条件下照光时’PSⅡ反应中心复合物中的Cytb559的低电势态(Cytb559 LP)可从Pheo得到电子而被还原具有较高反应活性的Pheo被清除这体现了Cytb559 LP的一种光保护功能. 综合上述结果及参考已有的文献我们提出了一种以Cytb559为中心的PSⅡ光抑制快速内源保护机理的调控模型。光抑制通过影响PSⅡ蛋白构象而使Cytb559 HP和Cytb559 LP发生相互转换。Cytb559 HP具有清除活性氧的功能，而Cytb559 LP态则具有从Pheo或QA吸收电子的作甩因此它们可受PSⅡ不同状态的调节进行相互转换以淬灭活性自由基达到保护PSⅡ功能的目的。

磷脂对光系统II光合放氧的影响及其作用机理的研究

以类囊体膜中唯一的阴离子型磷脂一磷脂酰甘油(PG)为研究对象，应用放氧测定和富立叶红外光谱等实验方法和技术手段，对PG与光系统II (PSII)之间的相互作用进行了研究。 研究表明，PG对PSII的放氧活性产生显著影响，具有明显的浓度效应。在低浓度(2～22 mg PG／mg Chl)时对PSII的放氧活性有明显的促进作用，而在高浓度(24～40 mg PG／mg Chl)下则表现出显著的抑制作用。 PG对PSII放氧活性的影响与其引起蛋白结构的改变密切相关。结果显示，PG的作用导致PSII颗粒中蛋白质二级结构的改变，主要表现为α-螺旋、β-折叠的增加和无规卷曲的减少。 不仅如此，红外光谱的分析还表明，PG还使蛋白酪氨酸残基中的酚基构象及其周围的微极性发生改变，即在红外光谱的1620—1500 cm-1，之间芳香环骨架的伸缩振动带向高频方向变化，其吸收强度也相应增加;在3500～3100 cm. -1间出现新的氢键吸收峰。 PG除能促进PSII的放氧活性以外，还对PSII表现出新的作用，即PG可以使PSII颗粒因缺钙而受抑制的放氧活性得到恢复;外加Ca2+可使PG表现出对缺钙PSII颗粒(dc。PSII)放氧活性的更大促进作用，且随Ca2+浓度的增加，促进作用也越显著。 PG的作用也使dc。PSII蛋白的结构发生了改变，导致蛋白二级结构中a-螺旋、p_折叠结构的增加和转角、无规卷曲成分的减少，即可使PSII颗粒因缺钙而改变的蛋白结构基本得到恢复。PG还能与Ca2+形成离子对似的配合物，而这种配合物的形成可以优化缺钙PSII颗粒的功能如放氧活性等。

高等植物光系统II捕光天线结构与功能的研究

高等植物光系统II的捕光天线蛋白（LHC II）在光能的吸收、传递和调节激发能在两个光系统之间的分配以及维持类囊体膜的垛叠等方面都起着重要的作用，因而得到了广泛的研究。目前普遍认为LHC II在植物体内是以三聚体的形式存在并行使功能的，但也有研究者发现了单体和寡聚体等多种形式的LHC II。本论文以菠菜为研究对象，采用改进的方法从类囊体膜中提取纯化了LHC II三聚体，对膜脂和色素在三聚体形成和蛋白空间结构中的影响，以及不同聚集态LHC II组成、结构和功能的差异进行了较系统的研究。此外，还将Lhcb2基因反向插入到烟草中，利用转基因植物来研究其生理功能。获得了如下结果： 1，采用改进的方法从菠菜类囊体膜中分离纯化了LHC II。与改进前比，其流程可以缩短2小时且产率也有明显的提高。SDS变性电泳和Triton X-100非变性电泳的检测结果表明，此样品纯度较高，是由三条分子量分别为29KD、28KD和26KD的多肽组成的异质三聚体。同时样品的吸收光谱和荧光光谱分析结果也与前人的报道一致。 2，分析了LHC II三聚体中的膜脂和脂肪酸组成及含量。与PSII相比，LHC II含有相同的四种膜脂：MGDG、DGDG、PG和SQDG。但LHC II中PG的含量是PSII的两倍，说明PSII中的PG主要富集在外周天线区域。同时PG中含有特异的反式十六碳一烯酸，且含量很高。用专一消化PG上Sn-2位脂肪酸链的磷脂酶A2（PLA2）处理LHC II三聚体，然后再加入PG重组的方法证明了含十六碳一烯酸的PG在三聚体结构的维持中起着至关重要的作用。去掉PG后， LHC II三聚体的结构受到了影响，部分解聚成了单体，同时其光谱特性也发生了变化，表现为叶绿素b分子的吸收峰及其激发的荧光发射峰都明显下降。回加PG则可使解聚的单体又重新聚集成三聚体。 3，分别用电洗脱和蔗糖密度梯度离心两种方法分离了LHC II三聚体、二聚体和单体。两者比较，电洗脱对样品的破坏较大，而蔗糖密度梯度离心更加温和，对蛋白上结合的色素影响不大。系统研究了不同聚集态LHC II的组成和光谱特性后发现，三种聚集态的LHC II有相同的多肽组成，并且都结合着5种色素，但是色素的含量差异较大。二聚体和单体中，叶绿素b和类胡萝卜素分子的含量比三聚体的低很多，此外，单体叶绿素a分子的含量也明显减少。对三种聚集态LHC II的各种光谱特性进行分析的结果表明，由于叶绿素b和类胡萝卜素分子含量较少，二聚体和单体中叶绿素b和类胡萝卜素的吸收均有所下降，而且从类胡萝卜素到叶绿素b以及从叶绿素b到叶绿素a的能量传递效率都低于LHC II三聚体，总体表现为三聚体 > 二聚体 > 单体。此外，不同单体之间叶绿素a到叶绿素a的能量传递也被破坏。推测三种聚集态LHC II在吸能、传能和结构上的差异，可能是植物适应不同外界环境的一种调控机制。 4，模拟体内过程，在体外将大肠杆菌中表达的Lhcb2蛋白和色素进行重组，以此来研究色素与蛋白组装过程中蛋白二级结构和色素结合状态的变化。结果表明色素在脱辅基蛋白的体外重折叠中至关重要。在与色素重组的过程中，蛋白二级结构中-螺旋含量逐渐上升并最终接近天然水平，而无规卷曲逐渐减少。从光谱的变化可以看出，色素分子与蛋白的结合经历了一个由无序到有序的过程，色素蛋白复合物的光谱信号由弱变强，重组得到的样品与天然LHC II十分相似。 5，为了更好地研究LHC II异质三聚体中单体可能具有的独特生理功能，建立了Lhcb2基因的反义抑制植物表达载体pBI-antiLhcb2，用根癌农杆菌介导法转化烟草，获得了转基因植株。酶切和PCR鉴定证明，Lhcb2基因已经成功地插入到烟草里。进一步的分子鉴定和生理生化功能分析还在进行中。

光系统II放氧复合物的光组装研究

本论文研究了一系列具有不同配位环璄的锰化合物与去锰的PSII的光组装过程，得到了以下主要结果： 1. 分别对两组二核锰化合物与去锰的PSII 颗粒进行了重组研究。第一组的两个二核锰化合物中，锰原子具有相同的外围配体、氧化还原状态，但是不同的连接方式;而第二组的两个二核锰化合物中，锰原子具有相同的连接方式、氧化还原状态，但是不同的外围配体。实验结果表明，锰化合物中两个锰原子之间的连接方式及外围配体的不同都可以导致锰簇光组装效率的不同，但这两种因素引起的光组装效率的差异比锰原子的氧化还原状态引起的差别要小的多。因此我们推断，锰原子的氧化还原状态是影响光组装效率最重要的因素之一。 2. 选择了三个四核锰化合物与去锰PSII 颗粒进行重组，测定其电子传递与放氧活性。研究结果表明，具有较少配体和较小分子的两个化合物H568和WM01具有较高的重组活性，而另一个化合物Z342的活性较低。这说明化合物配体的数目以及分子的大小影响了光组装效率。另外, 化合物H568和WM01在重组过程中对CaCl2也比Z342更敏感，推测这可能是因为这两个锰化合物中有更多的的羧基可以与Ca2+发生相互作用，而这种作用有助于锰的配位，进而促进光组装。 3. 研究了Mn/Ca的簇合物与去锰的PSII 颗粒的光重组, 研究发现，尽管化合物wwg-27本身就含有Ca的成分，但它在与光系统II的光组装过程中仍然表现为外源Ca需要的趋势，而且这一化合物也表现了比MnCl2更高的光组装效率。 4. 研究了MnCl2与去锰PSII 颗粒的重组过程中，组氨酸和酪氨酸的存在对光组装效率的影响。 研究结果表明，加入一定量的组氨酸和酪氨酸均可以明显的提高样品的放氧活性，并且这两种氨基酸对光组装效率的影响均与pH值有关。

高等植物光系统II大量捕光色素蛋白复合体的稳定性研究

光合作用是地球上最重要的化学反应，它主要发生在叶绿体的类囊体膜上。光能是整个光合作用反应的驱动力，因此光能的捕获和传递过程将会直接影响整个生物体的光合作用表现。在高等植物中，光系统II（PSII）的大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）作为最主要的、含量最多的光能捕获和传递器官，在光合作用过程中发挥着极其重要的作用。经过数十年的研究，认为LHCIIb主要的功能有以下四个方面：捕获和传递光能、光保护和过剩能量耗散、调节光能在两个光系统中分配和维持类囊体膜的结构。同时对其空间结构也在2.72Å的水平上进行了解析，发现每个单体含有14个叶绿素分子（Chl），其中8个叶绿素 a（Chl a）和6个叶绿素 b（Chl b），2个黄体素（Lut），一个新黄质（Neo）和一个紫黄质（Vio），3个跨膜α-螺旋和2个双亲α-螺旋。尽管目前对其空间结构和基本功能有了初步的了解，但以往研究均是对LHCIIb的三个色素蛋白复合体（Lhcb1、Lhcb2和Lhcb3）的混合研究，而关于Lhcb1、Lhcb2和Lhcb3各自的氨基酸组成、色素组成、各种光谱性质和稳定性研究还处于起步阶段。对Lhcb1、Lhcb2和Lhcb3各自的特性研究可以使我们更加深刻地理解LHCIIb的结构和功能。 本论文首先利用RT-PCR技术从豌豆（Pisum sativum L.）中提取了编码大量捕光色素蛋白复合体的三个脱辅基蛋白基因，分析了它们编码蛋白的氨基酸序列，并系统地研究了三个蛋白与其他物种中的三个蛋白之间的亲缘关系;然后在体外进行了成功的表达和与色素重组，进而对重组LHCIIb的色素组成及光谱特征进行了系统地对比和研究。实验结果表明，Lhcb1和Lhcb3的保守性高于Lhcb2，且Lhcb3最高，Lhcb1和Lhcb2的蛋白序列相似程度高于Lhcb3;Lhcb1同质三聚体的Neo含量和α-螺旋含量高于Lhcb1单体，Lhcb2单体和Lhcb3单体的α-螺旋含量高于Lhcb1单体;与Lhcb1单体和Lhcb2单体相比，Lhcb1同质三聚体和Lhcb3单体的荧光发射光谱明显红移，与核心复合物的光谱特征更加接近，这一区别可能更加有利于能量向核心传递;吸收光谱中表明，Lhcb1和Lhcb2存在两个Chl a吸收峰，根据分析超快吸收得到的模型（Amerongen & Grondelle，2001），这两个吸收峰可能代表Chl a的两个吸收中心。 在对LHCIIb各种基本特性研究的基础之上，本论文使用三氟乙酸（TFA）、离液剂尿素、离子性去污剂SDS、非离子型去污剂Triton X-100对Lhcb1单体进行了处理，使用不同温度对Lhcb1单体和同质三聚体、Lhcb2单体和Lhcb3单体进行处理。研究了它们在不同条件下的稳定性，主要结果如下： 1) 低浓度的尿素不能使Lhcb1变性，但可以影响色素之间的能量传递效率和相互作用。尽管SDS可以使Lhcb1解体，但解体后的蛋白仍旧保留了部分α-螺旋结构。TFA和非离子型去污剂Triton X-100可以使Lhcb1完全解体，并且可以完全破坏蛋白α-螺旋结构，TFA主要是通过影响色素结构和增加蛋白内部的分子间排斥力来破坏Lhcb1，而Triton X-100主要是通过破坏疏水作用力来破坏Lhcb1。高温可以使LHCIIb解体，但不能使蛋白二级结构完全消失。 2) 尿素、温度和Triton X-100均不引起色素本身的破坏，SDS和三氟乙酸使氢置换叶绿素卟啉环所螯合的镁离子，产生去镁叶绿素，造成色素本身结构的严重破坏。 3) 随着温度的升高，色素蛋白复合体的结构和功能会遭到破坏。在Lhcb1和Lhcb2中首先被破坏的是长波长吸收的Chl a。 4) .就功能而言，Lhcb1同质三聚体最为稳定，其次为：Lhcb1单体 > Lhcb3单体 > Lhcb2单体;.就结构而言，Lhcb1单体和Lhcb1同质三聚体相似，稍微较Lhcb2和Lhcb3稳定。 5) 不同处理方式均发现色素蛋白复合体的变性过程依次为：以Chl a为主的相互作用消失，其后依次为以Chl b为主的相互作用消失，以类胡萝卜素为主的相互作用，最后消失的是蛋白的二级结构。在结构受到破坏的同时，能量传递最先受到影响。 6) 解体过程并不是折叠过程的逆过程。

光系统II大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）结构和功能关系 的定点突变研究

定点突变技术可以对某个已知基因的特定碱基进行定点改变、缺失或者插入，从而改变对应的氨基酸序列和蛋白质结构，因而成为研究蛋白质结构和功能之间的复杂关系的有力工具。对突变基因的表达产物进行研究有助于我们了解蛋白质结构和功能的关系，探讨蛋白质的结构/结构域。 植物体光系统II的大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）具有多种功能，在自然界不同日光光强下分别执行捕获、传递光能或将过度激发能非光化学耗散的功能。最新的近原子分辨率LHCIIb晶体结构揭示出在LHCIIb穿膜螺旋B/C之间的环区具有复杂的超二级结构，其中一个新发现就是在此环区靠近穿膜螺旋C的区域中存在一个反平行股的结构，其功能不明。为了研究此反平行链对于LHCIIb复合体在结构和功能上的意义，我们将了这一区域的3个氨基酸（Val119、His120、Ser123）分别定点突变成Phe、Leu和Gly，并研究了这三个定点突变对LHCIIb结构和功能上的影响。结果如下：1，CD光谱揭示出该反平行链对于调节新黄质及其附近色素群的构象十分重要。虽然这三个突变只造成很少的新黄质丢失（V119F, 0.09; S123G, 0.17; and H120L, 0.26），但是却使色素构象发生了巨大变化。2，将S123突变成G导致复合物对光破坏更加敏感并且更易于聚集，在介质酸化后复合物的荧光淬灭更加显著。这些结果说明这段反平行链对于调节LHCIIb色素构象以及控制LHCIIb聚集体形成和叶绿素荧光产量具有重要作用。 以结构为基础的计算设计方法与定向进化相结合是蛋白质工程的一个发展方向。最近，通过计算设计已成功地向蛋白质引入了新的催化活性、提高了蛋白质的稳定性、设计了酶的催化活性位点、改变了酶的底物特异性等. 目前还没有见到有研究定向地，以理性方式对LHCIIb进行蛋白质设计。我们使用蛋白质的计算机辅助设计工具——RosettaDesign鉴定出一个可以显著提高LHCIIb光、热稳定性的定点突变I124L，并且突变体的的结构和功能与野生型无异。这是首次将计算机辅助设计应用于提高LHCIIb稳定性的研究。

ApcD is necessary for efficient energy transfer from phycobilisomes to photosystem I and helps to prevent photoinhibition in the cyanobacterium Synechococcus sp PCC 7002

Phyrobilisomes (PBS) are the major light-harvesting, protein-pigment complexes in cyanobacteria and red algae. PBS absorb and transfer light energy to photosystem (PS) II as well as PS I, and the distribution of light energy from PBS to the two photosystems is regulated by light conditions through a mechanism known as state transitions. In this study the quantum efficiency of excitation energy transfer from PBS to PS I in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 was determined, and the results showed that energy transfer from PBS to PS I is extremely efficient. The results further demonstrated that energy transfer from PBS to PS I occurred directly and that efficient energy transfer was dependent upon the allophycocyanin-B alpha subunit, ApcD. In the absence of ApcD, cells were unable to perform state transitions and were trapped in state 1. Action spectra showed that light energy transfer from PBS to PS I was severely impaired in the absence of ApcD. An apcD mutant grew more slowly than the wild type in light preferentially absorbed by phyrobiliproteins and was more sensitive to high light intensity. On the other hand, a mutant lacking ApcF, which is required for efficient energy transfer from PBS to PS II, showed greater resistance to high light treatment. Therefore, state transitions in cyanobacteria have two roles: (1) they regulate light energy distribution between the two photosystems; and (2) they help to protect cells from the effects of light energy excess at high light intensities. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.