1、光合作用高效光能转化机理及其在农业中的应用一、光合作用反应中心光能转化的微观机理的研究1、该项目组利用飞秒及皮秒超快光谱技术，对光系统 II 颗粒、核心复合物及反应中心三个层次的光合系统进行研究，首次测到 2.9ps 和 20.1ps 两个组分，并证明它们与PSII 的光化学反应活性有关，从而提出光系统 II 反应中心原初电荷分离两步反应的动力学新模型。 并发现在 RpsVirid 细菌反应中心中，原初电子转移过程是从原初电子给体经辅助叶绿素分子到原初电子受体的二步电子转移过程。2、首次发现紫细菌反应中心色素置换和激发能在色素高激发态能级上的传递。3、测定了三种生长速度不同的植物-菠菜、三七和
2、水葫芦叶绿体光系统 II 反应中心的转能效率，证明了生长慢的植物-三七-对于被它吸收的光子能量利用效率较低，而生长快的植物-水葫芦-光能利用效率较高。4、成功地观测到了视黄酸自由基正离子与 TiO2 表面束缚电子复合而形成的三线态视黄酸分子，并对其光谱和动力学过程进行了纳秒时间分辨光谱表征。5、建立了国内第一套具有国际先进水平的 THz 远红外飞秒脉冲新型光源，以及相应的时域光谱测量系统，将应用于对光激发下蛋白质的动态过程进行直接探测。二、捕光色素蛋白复合体结构与功能的研究1、提出光合细菌天线色素分子之间相互作用的新模型：根据已知的色素蛋白复合体的结构数据，计入一维环形结构中所有二聚体之间的偶
3、极相互作用，而不是仅考虑近邻相互作用。对叶绿素分子之间的激子偶合进行了理论计算，在二能级近似下获得一个解析解，并得到了在此模型下的吸收光谱和园二色光谱，与实验观察相吻合。2、首次建立光系统 II 外周天线叶绿素 a/b 蛋白复合体 II 型基因 Lhcb2 表达产物与色素在体外的重组系统。经功能分析证明，Lhcb2 基因不仅影响光能的捕获而且还可能参与激发能分配的调节作用。3、解析出了光系统 II 内周天线叶绿素 a 蛋白复合体（CP43 及 CP47）的磁园二色光谱。4、提出了 CP43 和 CP47 中色素之间的能量传递机制。5、在国际上首次获得了黄瓜和菠菜膜蛋白-捕光叶绿素 a/b 蛋白
4、复合体（LHCII）能进行衍射的三维晶体。三、光合放氧的机理研究：1、提出了放氧中心结构和放氧机理的新模型。放氧新机理首次引入水的不对称氧化和结构动态变化及 H 的间接传递等观点。参考新模型，采用光合放氧中心存在的生物配体或仿生配体与简单的锰化合物组成反应体系，从中获得了 11 个含有放氧中心结构单元Mn/O/N 或 Mn/O 的模型化合物。2、发现了光系统 II 33KD 外周蛋白 241Trp 位于 33KD 外周蛋白 C 端疏水区。3、发现光系统 II 氧化侧存在碳酸酐酶的生化证据，说明 241Trp 对 33KD 外周蛋白的结构与功能有特殊的意义。四、叶绿体 ATP 酶结构与功能的研究
5、1、提出了 亚基抑制 ATP 酶水解和堵塞质子通道的两种功能可能是相互联系的观点。将菠菜叶绿体 ATP 合酶 CF1 的五种亚基基因分别插入到质粒 pGBT9 和 PGAD424，双转化入酵母菌株，用酵母双杂交系统检测菠菜叶绿体 CF1 各亚基间的相互作用。结果显示： 与 亚基有坚强的相互作用； 与 ， 与 ， 与 ， 与 亚基间也有稳定的相互作用。2、阐明碳酸氢根促进 PSII 电子传递的机理。证明亚硫酸氢钠促进光合作用与光合磷酸化有关，喷洒亚硫酸氢钠可以提高产量。五、光合膜重要电子传递体的结构与功能1、证明 Cytb6f 中的 -Car 分子，无论是结合态、还是处于自由的状态，都是 9-顺
6、式构型的分子，存在于一种不对称的蛋白环境中，它不能有效地向 Chl a 传递光能，但对Chl a 具有明显的光保护功能。2、观察到 Cytb6f 中 Chl a 的解离与 RieskeFeS蛋白的解离和 Cytb6f 复合体单体化的关系比较密切，膜脂能够有效的抑制这三个过程的发生，推测膜脂的作用位点可能位于 Cytb6f 二聚体中单体之间的交界处。膜脂对 Cytb6f 催化电子传递的活性有明显的促进作用，其效率与膜脂分子的带电性质密切相关。3、解析出 Cytb559 磁园二色光谱MCD ，发现 Cytb559 白 MCD 信号是对反应中心相应波段 MCD 信号的贡献。通过 HPLC 吸收光谱及
7、共振拉曼光谱，首次证明 Cytb-559 含Chl a 而不含类胡萝卜素。发现细胞色素 b-559 在光保护中的功能不仅与其高低电势有关，而且与其质子化程度有联系。六、光抑制、光破坏和光保护的分子机理研究：证明强光照射 PSII 反应中心诱导 1O2 的产生，而使 Pheo 受到破坏，并提出了 PSII中由质子化半醌自由基与 1O2 反应，最终生成超氧阴离子自由基 O2-的分子机制。七、光合作用分子生物学的研究1、证实了呼吸电子传递和光合循环电子传递在状态调节中起着关键作用。结果还显示细胞中感受光能分布不均匀的位点是在 Cytb6f 复合物。2、 克隆了编码细胞色素 b-559 的 a 和 b
8、 亚基基因，并在大肠杆菌高效表达。3、工程构建的蓝细菌 ChlL 基因缺失突变体，不能在黑暗条件下合成叶绿素，但经连续传代培养四年后，又部分恢复了在黑暗中合成叶绿素的能力。经鉴定其中的 ChlL 基因仍旧是缺失的，因此推断蓝细菌内还可能存在某些未知的叶绿素合成途径。八、主要农作物品种的光合作用特性该项目组对水稻、小麦、大豆、玉米的光合特性进行了系统的研究，发现叶片光合速率的提高与产量的增加成正相关，表明通过遗传改良可以获得叶片高光合速率的品种，为通过提高作物光合效率来增加产量提供了理论依据。根据对农作物不同基因型、生态型光合特性的研究所获得的作物高效光能利用的规律，提出育种的新的工作假说，即：
9、株型（个体和群体外在的光能利用效率）+高光效（光合作用内在的光能转化效率）+杂种优势的利用。九、光合作用光抑制、光破坏和光保护的机理1、证明了光系统 II 反应中心的可逆失活是一种保护性的能量耗散机制。进一步分析证明光系统 II 反应中心的可逆失活与天线色素复合体 LHCII 脱离反应中心有关。2、证明叶黄素循环在防止类囊体膜酸化中起关键作用；证明叶黄素循环抗光破坏的决定因子并不在于玉米黄质的绝对含量，而是与玉米黄质产生的相对速率有关。3、发现衰老小麦叶片对光抑制较为敏感，并证明这种敏感性的增加是由于衰老叶片叶黄素循环代谢功能的增强所致。4、为揭示籼粳稻 Dl 蛋白光耐性差异的分子机理，克隆了
10、籼稻 D1 蛋白基因 psbA，并进行了核苷酸序列结构分析，根据研究结果推测籼粳稻 D1 蛋白对光的耐受性差异可能与调控基因表达的上游因子相关。十、非叶器官的光合结构和功能研究表明，几种主要农作物的非叶器官，如大豆豆荚与小麦穗部器官如芒，颖片，内稃和外稃等都具有与叶片相似的良好的光合结构与功能。提高光合效率的常规育种和基因工程研究1、育出几个较目前常规大豆品种的光合效率和产量都有大幅度提高的新品种。2、成功将玉米 PEPC 基因转入水稻的工程植株的光合特性进行了全面的研究。发现转基因水稻有明显的 C4 植物光合特性。光饱和点比原水稻品种高，CO2 补偿点低，羧化效率高，净光合速率增加，同时抗光抑制能力增强。首次通过杂交将 PEPC 基因的水稻的一些光合特性传递到杂交稻的恢复系和不育系中去，为常规育种和基因工程育种培育高光效杂交水稻提供了理论依据和新途径。已经通过杂交筛选出了 PEPC 酶活性增加 13-34 倍的粳稻F1 代植株。3、为了增强作物对光抑制的抗性，首次从水稻和小麦中克隆了 vde 基因，获得了大量转基因烟草植株。为进一步研究叶黄素循环的机制提供了新的途径。
