【PNAS封面 】突破！日本東北大学叶深团队揭示光生物中点位依赖性的光能量调控机制

光生物的光合作用效率依赖于光系统II（Photosystem II；PSII）和光系统I（Photosystem I；PSI）之间的激发平衡。然而，由于自然光谱的不均匀性和实时变化，PSII和PSI间的激发平衡时常被扰乱。一种被称为状态转换 (State Transition；ST) 的光能量调节机制被发展，该机制通过光捕获复合物 II (Light Harvesting Complexes II；LHCII)的移动来调节PSs间的激发。通常，LHCII与PSII结合时被称为ST1（State1）；当PSII被过度激发时，一种名为Stt7的酶促使LHCII发生磷酸化之后与PSI结合，该状态被称ST2 (State2)。ST机制虽然已经被研究了很多年，然而，单细胞中ST的活性是否存在差异尚未知晓。另外，在ST机制发生时一些研究观察到叶绿体的类囊体结构的变化。因此，许多研究者假设类囊体膜的动态转换与ST机制相关，但有力的证据是缺少的。

2022年9月6日，PNAS在线发表了来自日本东北大学叶深团队题为 「State Transition Is Quiet Around Pyrenoid and LHCII Phosphorylation Is Not Essential for Thylakoid Deformation in Chlamydomonas 137c」的研究论文 (2022年第37期封面论文)。该文中，他们在模型单细胞生物-衣藻Chlamydomonas中向上述两个问题发起挑战。研究组联合了两种先进的显微镜技术来研究ST机制，即最近自主开发的高速激发光谱显微镜（Excitation Spectral Microscope; ESM）和基于结构照明显微镜（Structural Illumination Microscope; SIM）的超分辨率成像技术。ESM的结果发现了之前未被报道过的细胞内ST点位依赖性; SIM的结果揭示LHCII磷酸化与类囊体结构变化是独立的。这些新发现将开启单细胞水平ST机制研究的新思路。研究内容及结果：2020年，该组开发了应用于光合作用研究的高速ESM。与传统的波长扫描ESM相比，新型ESM在几分钟内可实现数千激发光谱的获取，效率提高近40-50倍（Jana & Shibata, Biophy. J. 2020），他们使用大量的激发光谱成功地重构了Chlamydomonas荧光图。2021年，他们证明ESM是对活细胞无损害的，并能精确地表征单细胞内LHCII的移动（Zhang et al., Plant & Cell Phys., 2021）。在本文中，他们通过光诱导Chlamydomonas触发ST机制。ESM 观察展示了重复 ST 诱导后ST依赖性光谱变化，Chlamydomonas的lobe和base区域的激发光谱被分别分析，并且计算出细胞内每个像素中包含在LHCII中叶的绿素b（Chlorophyll-b；Chl-b）比值。令人惊讶的是，在ST2激发时，数据表明Pyrenoid周围区域的Chl-b比值很小，意味着该区域ST发生率低于其他区域，因此导致base附近出现一个荧光增强的效果（注：Pyrenoid是专门用于碳固定反应的亚细胞器，与二氧化碳浓缩机制相关）。这些现象在缺乏LHCII磷酸化导致的ST活性的Stt7变异体细胞中没有被观察到，因此可确定观察到的结果与ST机制相关。此外，他们还发现了这种表现型的物种依赖性：137c 菌株显示出明显的细胞内ST 发生的不均匀性，而 4A+ 菌株却几乎没有，这些差异可能源于137c与4A+的基因背景差异。另一方面，他们使用了SIM观察了同条件变化下Chlamydomonas的类囊体结构变化。SIM具有120 nm左右的空间分辨率，能有效地实时观测大尺度类囊体结构的变化。SIM 观察到在无光刺激的条件下，类囊体体仍然具有变化性，这些变化被定义位膜的自波动。而在ST光诱导下，观察到光刺激引起的不可逆的类囊体体结构转化，这种变化的程度大于自波动变化；并且在缺乏 STT7 激酶的突变体中也观察到了这种不可逆且不规则的类囊体变化。该结果表明：类囊体体变形不仅仅受 LHCII 磷酸化的影响，另外的生理事件也可导致类囊体超微结构的变化。总结：该文开启了在单细胞水平研究光能量调控的新视野，他们在Chlamydomonas体内研究了ST机制，首次报道了ST活性的细胞点位依赖性。另外，研究组还揭示了LHCII磷酸化不是类囊体体结构变形的必要条件，表明类囊体体超微结构的高度可塑性和对光反应的高度敏感性。这里确定了目前观察到的类囊体变形与ST机理独立，光反应也可直接导致膜结构的变形 (Fig. 5)。然而，ST机制与类囊体膜的结构调制是否独立以及膜变形的生理意义等问题仍需要被进一步研究。

该论文由日本东北大学叶深 (Shen Ye) 课题组和日本国立基础生物研究所皆川纯（Jun Minagawa）课题组共同合作完成，第一作者为博士生张先骏（XianJun Zhang），通讯作者为柴田穰（Yutaka Shibata）副教授。该工作受到日本文部省科研费(JP26650043, JP15H04356, JP15F15032, JP19H03187 to Y.S., JP21H05040 to J.M.) 和科学技术振兴机构次世代挑战者研究项目（JPMJSP2114 to X.Z.）的经费支持。第一作者介绍：张先骏（Zhang XianJun），2017年毕业于东北林业大学化学系，目前就读于日本东北大学理学研究科化学系，博士2年级；主要从事与飞秒激光相关-先端光谱显微镜的开发，以及使用显微光谱手段研究光生物、蛋白质-色素复合物的光调控机理等工作；获2021年日本东北大学学祭高等教育研究院博士生全额奖学金，2021年中国留学基金委CSC博士生奖学金，2021年日本多元物质科学奖励奖，2021日本生物物理学会学生发表奖，2022年日本JST次世代研究者挑战项目研究经费资助；以第一作者在专业杂志Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.和 Plant & Cell Physiology发表过论文。

通讯作者介绍：柴田穣（Shibata Yutaka），日本东北大学化学系有机物理化学研究室副教授，博士生导师；主要从事高性能光谱显微镜与冷冻光学成像技术的开发，以及光生物的光能量调控机理相关的基础研究；在Physical Review Letters，J. Am. Chem. Soc., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. , The Journal of Physical Chemistry系列等知名国际杂志发表论文共计105余篇；论文被引用数超过2800次 (h-index=28) 。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2122032119

转自：“iPlants”微信公众号

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