张海波　张清源　姜思奇

摘 要：LHCⅡ是植物光系统Ⅱ捕光色素蛋白复合体，能够与光系统Ⅱ和光系统Ⅰ可逆脱离，进行光能的捕获和传递及参与光抑制破坏的防御。LHCⅡ与PSⅡ的可逆脱离主要受自身磷酸化和PSⅡ核心蛋白磷酸化的调节。在低光强下，LHCⅡ磷酸化后与PSⅡ脱离，与PSⅠ结合，平衡PSⅡ与PSⅠ之间的激发能；在强光下，PSⅡ核心蛋白磷酸化导致LHCⅡ的脱离，使之处于游离状态，主要进行过剩能量的耗散。部分LHCⅡ受活性氧诱导发生磷酸化而与PSⅡ脱离，尔后与PSⅠ结合，D1蛋白有利于分解PSⅡ损伤，参与修复受损伤的PSⅡ。

关键词：光系统Ⅱ；状态转换；光损伤；D1蛋白

中图分类号：S184 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170632050

植物的光合作用由光反应和暗反应2部分组成。光反应是植物利用光能驱动水裂解产生电子，而后通过电子传递和光合磷酸化作用产生NADPH和ATP的反应，为暗反应中CO2的固定准备同化力；而暗反应是利用光反应产生的NADPH和ATP，通过卡尔文循环等一系列由温度控制的酶促反应完成对外界CO2的固定，最终完成光能向化学能的转化。在植物的光合电子传递链中直接将光能转换为电能的传递体是PSⅡ和PSⅠ复合体。它们的最大吸收波长不同。在植物的CO2同化过程中，不仅需要光反应和暗反应2部分协调配合，也需要PSⅡ和PSⅠ复合体之间的协同。

光作为绿色植物光合作用唯一的能量来源是其维持生命活动的基本条件。然而当植物处于波长经常变动或持续强光照射下，容易使PSⅡ和PSⅠ复合体之间的能量失衡，或光反应转化的能量超出暗反应的需要，结果致使反应中心产生过剩的激发能，对光合机构产生一定的危害，植物的光合作用受到限制，严重影响植物的生长和发育。为防止过剩光能造成的损害，植物在长期进化过程中形成了一系列的防御机制[1]。其中PSⅡ捕光色素蛋白复合体LHCⅡ与反应中心的可逆脱离就是植物防御机制的重要组成部分之一。例如，在光照波长经常变化的环境中，植物光系统Ⅱ（PSⅡ）的捕光色素蛋白复合体Ⅱ（LHCⅡ）通过与PSⅡ和PSⅠ的可逆脱离，改变2个光系统的捕光色素数量，从而平衡2个光系统间的激发能，使植物的光反应效率最大化，降低过剩光能在反应中心的积累；而在持续强光照射条件下，捕光色素复合体吸收的光能不能完全用于碳同化作用，产生过剩激发能，为防御这部分光能对光合机构造成损伤，LHCⅡ也能从PSⅡ脱离处于游离状态，从而防止更多光能进入反应中心。但也发现，有时在强光下也发生脱离下来的LHCⅡ与PSⅠ结合的情况。研究表明这种结合与受破坏的PSⅡ修复有关。虽然上述2种情况都发生了LHCⅡ与PSⅡ的离合，但其诱导因素和LHCⅡ脱离后的去向和功能不同。大量的研究证实，LHCⅡ与PSⅡ的可逆脱离行为受磷酸化与去磷酸化调节。本文总结和讨论LHCⅡ与PSⅡ和PSⅠ可逆脱离的磷酸化调节机制，为深入研究植物强光适应和光抑制防御提供参考。

1 光系统状态转换中的LHCⅡ磷酸化调节

植物类囊体膜的光系统含有PSⅠ和PSⅡ2个光系统，在线性光合电子传递中，2个光系统均衡接受光能和协同作用才会产生最大效率。但由于2个光系统的反应中心色素组成和结构差异，导致产生最大光化学反应的有效波长不同。PSⅡ的最大吸收波长在680nm（蓝绿光区），PSⅠ的最大吸收波长在700nm（远红光区）。当植物受到不同波长光照射时，PSⅡ和PSⅠ被不均衡激发，LHCⅡ就会从被过度激发的光系统上脱落下来，转移到被较少激发的光系统上，从而均衡2个光系统间的激发能，这种现象称为状态转换。大量实验表明，LHCⅡ的可逆磷酸化作用参与了状态转换过程。LHCⅡ的磷酸化和去磷酸化状态可以改变其与2个光系统间的亲和力，从而发生捕光天线的移动。当PSⅡ被过度激发时，LHCⅡ发生磷酸化作用从PSⅡ脱落下来而结合到PSⅠ，这时的状态为状态2；而PSⅠ被过度激发时，磷酸化的LHCⅡ发生去磷酸化作用而重新结合到PSⅡ上，称为状态1。在光照多变的自然条件下，植物主要通过捕光天线的移动来平衡2个光系统间激发能的分配。在光抑制条件下，LHCⅡ的状态转换也是保护PSⅡ免受光破坏的1种机制。在单细胞光合生物中有80%的LHCⅡ能够从PSⅡ脱离，在高等植物中只有15%～20% LHCⅡ能够发生这种移动。

植物光合电子传递链的主要功能是产生NADPH和合成ATP。在某些情况下，植物需要加强环式光合电子传递以产生较多的ATP。状态转换最初被认为是对光质变化的一种短时间调节机制，可后来在单细胞生物中发现它还有调节ATP合成的功能。有人研究发现，用不同波长的光处理淡水绿藻后，LHCⅡ的磷酸化水平没有明显变化，而暗中通过抑制叶绿体呼吸而限制绿藻体内ATP的合成时，LHCⅡ磷酸化水平明显升高，脱落的LHCⅡ不但结合到PSⅠ上，而且细胞色素b6f复合体也会向PSⅠ移动，加强了以PSⅠ为中心的循环电子传递，增加ATP的合成。Liu等通过增加蓝藻培养介质中的盐浓度而降低ATP的含量时，不但诱发了光系统的状态转换现象，而且还发现围绕PSⅠ的循环电子流加快，而降低藍藻培养介质中的盐浓度，则会发生相反的现象[2]。这可能与逆境下ATP的额外需求有关。尽管在高等植物中可以发生可逆脱离的LHCⅡ比例远小于单细胞光合生物，但是这种行为在植物ATP合成调节中的作用也不能忽视。Tikkanen和Aro发现，细胞内ATP水平的降低，不但能使状态1向状态2转变，而且还可以诱导线性电子传递向环式电子传递的转换，从而加强围绕PSⅠ的循环电子流，增加ATP的水平[3]。云建英等研究表明在低光强下，通过抑制烟草体内ATP的合成，使得内囊体膜腔过度酸化，电子传递链被过度还原。这有可能是诱导了状态转换的发生而加快了循环电子流，从而增加ATP的合成。

在状态转换中LHCⅡ与光系统的脱离是可逆的。以拟南芥和衣滴虫突变体为材料的研究证实，叶绿体丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶STN7、STT7是LHCⅡ磷酸激酶。这些激酶都为单次跨膜蛋白，疏水性强的N端横跨类囊体膜，亲水性高的C端位于基质中，激酶结构域也位于基质中。大量研究证实，STN7和STT7激酶活性受光照、PQ库和Cyt-b6f复合体的氧化还原状态调控。在暗中，Cyt-b6f复合体Qo位点的还原型质体醌缺乏，STN7和STT7激酶处于钝化状态。在较多短波长光照射下，PSⅡ被过度激发，还原的质子醌PQH2与Cyt-b6f复合体的Qo位点相结合，诱使Cyt-b6f复合体构象变化，从而将还原信号从类囊体内腔传递到基质间侧的激酶结构域，激活LHCⅡ蛋白激酶，使得LHCⅡ发生磷酸化从PSⅡ脱落而结合到PSⅠ上[4]。当较多长波长光照射下，PSⅠ被过度激发，PQH2被氧化从Cyt-b6f复合体的Qo位点脱离下来，磷酸化的LHCⅡ在基质侧磷酸酯酶的作用下去磷酸化，从PSⅠ脱落重新结合到PSⅡ上。但迄今为止，导致LHCⅡ去磷酸化的磷酸酯酶和具体的作用机制还未被发现和阐明。但有研究发现，类囊体膜腔的亲兔蛋白TLP40可以通过与磷酸酯酶的结合与释放调节该酶的活性。

PSⅡ复合体中的LHCⅡ以三聚体的形式存在。唐萍等利用生物化学和电镜显微镜技术对植物类囊体膜进行分析表明，在PSⅡ核心周围分布着2种形式的LHCⅡ三聚体，1种形式为S型，与PSⅡ结合紧密不容易脱离；1种形式为M型，与PSⅡ结合松弛，容易从PSⅡ脱离下来，并且参与PSⅡ的装配。在它的3个组成单体中，单体Lhcb1和Lhcb2能够发生磷酸化，而单体Lhcb3没有磷酸化位点。当三聚体发生磷酸化后，从PSⅡ脱离下来后解离，磷酸化的单体结合到PSⅠ上。

2 光抑制防御中的PSⅡ核心蛋白磷酸化调节

研究表明，在强光下也发生LHCⅡ与PSⅡ的可逆脱离，但其机制与正常光照不同。在饱和光照下发生的光抑制恢复需要数个小时，甚至不能完全恢复，而状态转换的恢复只需要20～30min。PSⅡ是植物发生光抑制或光破坏发生的原初部位，在强光下需要LHCⅡ的脱离来减少光能的吸收。但是，在强光照射下，LHCⅡ的磷酸化受到限制，阻碍其脱离。这是因为在高光强下存在LHCⅡ磷酸化的负调节效应[5]。有研究表明，高光照下的LHCⅡ磷酸化负调节是由PSⅠ端的Fe-S氧还蛋白系统介导的。LHCⅡ的磷酸化由STN7蛋白激酶催化，位于膜腔内侧的二硫键，是Fe-S氧还蛋白作用的位点。在高光强下，STN7激酶膜腔内的二硫键暴露出来，被PSⅠ端的铁硫氧还蛋白所还原，使STN7蛋白激酶失活，LHCⅡ的磷酸化受到抑制[5]。然而，研究表明，在强光下，仍有部分LHCⅡ从PSⅡ脱离下来，但并不与PSⅠ结合，而是游离在PSⅡ附近。这可以减少过剩光能进入PSⅡ反应中心，也可以防止把过剩激发能带入PSⅠ。这被认为是植物进化出来的保护PSⅠ免遭光破坏的一种有效机制，因为PSⅠ并没有与PSⅡ一样有光破坏防御和修复机制。

尽管在强光下LHCⅡ与PSⅡ分离时，LHCⅡ不发生磷酸化，但是这种脱离也受磷酸化的调控。磷酸酯酶抑制剂（NaF）和蛋白激酶抑制剂（FSBA）都可以调控LHCⅡ与PSⅡ反应中心的脱离。研究表明，在高光强下，PSⅡ的核心蛋白（D1、D2、CP43、PsbH蛋白）都能发生磷酸化作用。催化PSⅡ核心蛋白磷酸化的是STN8激酶。由于该酶与STN7不同，没有位于膜腔内侧的二硫键，其活性不受Fe-S氧还蛋白的抑制，所以在强光下仍起催化PSⅡ的核心蛋白磷酸化的作用[5]。Zhang等认为，强光处理下PSⅡ核心蛋白的磷酸化作用，导致PSⅡ构象发生变化，致使LHCⅡ与PSⅡ的结合变得松弛而脱落下来。在植物转发入低光强或黑暗条件下时，PSⅡ反应中心的过剩激发能逐渐减少，磷酸化核心蛋白在磷酸酯酶的作用下发生去磷酸化，LHCⅡ又重新返回PSⅡ。研究发现，D1蛋白的磷酸酯酶有2类，存在于垛叠的类囊体膜，负责未受损伤的D1蛋白的去磷酸化，在暗中或光下都有活性；存在于非垛叠的类囊体膜，负责受损伤的D1蛋白的去磷酸化，只在光下有活性[6-7]。

3 PSⅡ光损伤修复中的LHCⅡ磷酸化调节

在强光照射下，植物虽然可以通过PSⅡ核心蛋白（主要是D1蛋白）的磷酸化使LHCⅡ游离于PSⅡ，且不与PSⅠ结合来避免发生光抑制甚至光破坏，但研究表明，在强光条件下，部分LHCⅡ仍然会发生磷酸化作用。这是因为当PSⅡ被过度还原时，PSⅡ反应中心易产生过氧化氢和单线态氧等过氧化物质。这些氧化物质氧化破坏PSⅡ反应中心D1蛋白，将STN7激酶被还原的二硫键重新氧化，酶被重新活化，使LHCⅡ发生磷酸化而从PSⅡ脱离。Breitholtz等对具有较低非光化学猝灭能力和较高PSⅡ激发能力的拟南芥突变体进行强光处理发现，这2种突变体植物都发生了LHCⅡ的磷酸化作用，原因是突变体中较低的非光化学猝灭能力和PSⅡ的过度激发使得过剩的激发能在PSⅡ反应中心积累，导致了活性氧等有氧物质的产生，而这些有害物质催化LHCⅡ激酶中被还原的二硫键的重新氧化，从而恢复了激酶活性。需要注意的问题是，在强光下，STN7/STT7等蛋白激酶被重新激活后，磷酸化的LHCⅡ将会结合到PSI，势必会转移给PSI过多的激发能，造成PSI的破坏。那么，在高强光下LHCⅡ的磷酸化是否是一单纯的有害反应，还是另有生理作用。

研究表明，强光下的LHCⅡ磷酸化可能与受损伤的PSⅡ修复有关。在PSⅡ复合体的所有蛋白中，核心蛋白D1是周轉最快的蛋白。强光照射下，D1蛋白不可避免地被PSⅡ反应中心所产生的过氧化物损伤。大量研究表明，受损伤PSⅡ的修复机制包括：受损伤PSⅡ异二聚体的单体化；PSⅡ单体由类囊体膜的垛叠区向非垛叠区迁移；PSⅡ核心蛋白去磷酸化；受损伤的D1蛋白降解（在非垛叠的类囊体膜）；新合成的D1蛋白取代受损伤的D1蛋白后，装配成具有正常功能的PSⅡ复合体。过氧化物质诱导的磷酸化LHCⅡ，从PSⅡ脱落下来后也结合到PSⅠ上。这种结合与受损伤D1蛋白的降解有关。

4 展望

随着分子生物学技术的不断发展，人们对LHCⅡ可逆脱离的研究取得了重大的成果，但到目前为止仍有许多问题没有阐明。例如，与LHCⅡ磷酸化相关的蛋白激酶只在某些特定物种得到鉴定，还有大量物种中LHCⅡ磷酸化的蛋白激酶还未得到揭示；在相同光质或光照处理下，LHCⅡ的可逆脱离具有物种依赖性，这与他们的LHCⅡ磷酸化所依赖的蛋白激酶有关，还是和他们适应环境能力的不同有关；有研究发现，CP29、TSP9等蛋白也参与状态转换和PSⅡ的防御及修复机制，但至今为止，这些蛋白的具体作用机制还不是很清楚；在饱和光或强光下，从PSⅡ脱离的LHCⅡ是如何耗散过剩的激发能的；还有高光强条件下LHCⅡ与PSⅠ的可逆结合是怎么参与或促进D1蛋白的降解和重新合成的。这些问题都需要进一步的研究。

参考文献

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