近日，国际著名学术期刊The Plant Cell在线发表我校邱保胜课题组题为“Hypothetical chloroplast reading frame 51 encodes a photosystem I assembly factor in cyanobacteria”的研究论文，在蓝藻中新发现一个光系统I组装因子。
光合作用是生物地球化学循环的核心反应，是粮食产量的基础，深入揭示光合作用的生物发生机制具有重要的理论与现实意义。蓝藻是地球上最早出现的产氧光合生物，为叶绿体的演化祖先，是光合演化研究的“活化石”。相嵌于类囊体膜中的两大色素蛋白复合体—光系统I（PSI）与光系统II（PSII），是实现光能转化的关键分子机器，其生物发生机制一直是国际研究热点。相较于PSII而言，PSI由于组装过程极其迅速，其具体组装机制仍不清楚。
该研究以模式蓝藻—集胞藻PCC 6803为研究材料，通过反向遗传学思路，定点敲除12个未知功能的候选基因，最终筛选获得光合自养生长缺陷型ycf51突变株。ycf51基因敲除后PSII下游光合电子传递明显受阻，PSI与PSII的比例显著降低，PSI组成亚基在蛋白水平上明显降低，PSI三聚体显著减少，而转录本与野生型没有明显变化，这表明Ycf51在转录后水平调控PSI的积累。
蛋白互作分析表明，Ycf51可与PSI组装必需因子Ycf3，以及PSI亚基PsaC发生相互作用。Ycf51缺失后不影响PSI的稳定性，且Ycf3总蛋白含量并不受影响，但类囊体膜上黏附的Ycf3含量增多，这暗示Ycf51与Ycf3一起参与PSI组装。分离光合复合体并分析各组分中蛋白含量的变化，发现Ycf51参与PSI组装要晚于Ycf3的作用，且二者在复合体组分上有一定重叠。分子对接模拟表明，Ycf51可在不同区域与Ycf3及PsaC亚基互作。结合三者非稳定性结合的特征，推测Ycf3先参与PSI核心亚基的组装，然后与Ycf51互作，进而将PsaC亚基装配到PSI核心复合体的胞质侧。一旦Ycf51缺失，将直接影响PsaC亚基的组装，同时由于Ycf3过度富集于类囊体膜上，也降低了PSI核心亚基的组装效率，导致PSI蛋白水平整体下降。
生物信息学分析表明，Ycf51在所有蓝藻和真核灰胞藻中高度保守，但在光合细菌、真核藻类（红藻、绿藻等）以及有胚植物中并不存在，暗示Ycf51为一种演化上古老的PSI组装因子。拟南芥中存在一种能与Ycf3互作的PSI组装因子Y3IP1， 但该蛋白并不能回补蓝藻Ycf51缺失的表型，这表明蓝藻PSI组装具有一定的特殊性。Ycf51是迄今所报道的首个蓝藻特有的PSI组装因子，为光系统的演化形成机制研究提供了借鉴。
该研究历经九年时间完成，得到国家自然科学基金项目（31970254、32370265、92051105和32370398）、国家重点研发计划项目（2018YFA0903100）与湖北洪山实验室项目（2022hszd014）资助。戴国政副教授为该论文第一作者，已毕业博士生宋炜钰、徐海锋副研究员为共同第一作者，屠渺、于晨等研究生、刘珂副教授和张铮博士参与该项研究，德国马普分子植物生理学研究所Ralph Bock教授对该工作有重要贡献，邱保胜教授为论文通讯作者，华中师范大学为第一完成单位。
全文链接https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad330/749916
图1. Ycf51参与蓝藻PSI组装的作用机制
图文：邱保胜课题组
审核：谢波/编辑：谭娜
