光合作用是植物获取能量的核心过程 。植物通过调节光系统I（PSI）和光系统II（PSII）之间的激发能分配，以适应外界光质和光强的变化。这一动态调节过程被称为状态转换（state transition），其核心机制是通过调控光捕获复合体II（LHCII）的可逆磷酸化来平衡光系统能量输入。尽管状态转换在植物光适应中具有重要作用，但其对光合蛋白稳态和周转的影响机制仍不清楚。
近日，南开大学生命科学学院李磊教授团队在PlantPhysiology发表了题为Turnover rates of photosynthetic proteins indicate a correlation with photosynthetic capacity under state transitions的研究论文，利用稳定同位素15N标记技术，揭示了状态转换对光合蛋白稳态调控的新层面。
研究团队选取停留在状态I的蛋白激酶突变体 stn7-1、停留在状态II的蛋白磷酸酶突变体tap38-1，以及野生型拟南芥，通过¹⁵N渐进标记完整植物和蛋白质质谱定量解析，比较了三种类囊体光合蛋白的周转速率。
研究发现，在状态I下（LHCII 不发生磷酸化），LHCII主要与PSII结合，并激活PSII核心蛋白D1的周转；在状态II下（LHCII被磷酸化），p-LHCII主要与PSI结合，并促进包括PSI、NDH复合体及ATP合酶在内的蛋白周转。
具有代表性的D1、PSAB和LHCII亚基的周转速率在不同状态下与野生型相比约有20%的差异，与状态转换的p-LHCII所占份额接近，表明状态转换引起的激发能分配与光合蛋白周转存在紧密的对应关系。结合叶绿素荧光测定结果，研究进一步发现，光合电子传递链蛋白的周转速率与其接受的电子流强度呈显著正相关。有趣的是，虽然突变体中主要光合蛋白的丰度未出现明显变化，但其周转速率差异清晰可辨，显示蛋白质周转分析是一种灵敏的能量分配指示手段，为研究动态的光合系统稳态调控和能量分配的长期效应提供了新策略。
在状态转换过程中，PSII核心蛋白D1与其邻近亚基表现出相反的周转趋势，提示D1修复与PSII复合体稳定性密切相关。此外，细胞色素b6f复合体的b6亚基（PetB）与f亚基（PetA）在状态I和状态II分别与PSII核心蛋白D1、以及PSI、NDH复合体和ATP合酶的周转变化呈协同性，暗示该复合体在类囊体不同区域的功能耦合特征。
综上，该研究首次从蛋白质周转层面揭示了光合电子传递链能量分配与蛋白稳态的内在联系，为理解植物如何通过动态的蛋白稳态调控适应光环境变化提供了新的视角。
南开大学生命科学学院李磊教授为通讯作者，博士生李圆圆、梁寒和侯宇奇为主要完成人。研究得到西澳大学Harvey Millar教授与Owen Duncan博士的协助，并感谢慕尼黑大学Dario Leister教授、天津师范大学丁兰平教授、中国科学院植物研究所杨文强研究员及韩菲的支持。项目由国家自然科学基金委员会、天津市科技局、杂交水稻全国重点实验室开放性课题及南开大学细胞应答交叉中心资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf638
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