Characterization of two cytochrome oxidase operons in the marine cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002: Inactivation of ctaDI affects the PS I:PS II ratio
- 作者
- Christopher T. Nomura, Soren Persson, Gaozhong Shen, Kaori Inoue-Sakamoto, Donald A. Bryant
- 单位
- Department of Biochemistry and Molecular Biology, Center for Biomolecular Structure and Function, The Pennsylvania State University; Polymer Chemistry Laboratory, RIKEN Institute; Department of Bioengineering and Chemistry, Division of Chemistry, College of Environmental Engineering, Kanazawa Institute of Technology
- 杂志
- Photosynthesis Research（2005）
- DOI
- 10.1007/s11120-005-8533-y
- 所属领域
- 光合微生物学
- 关键词
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解决的核心问题
蓝藻中细胞色素氧化酶在呼吸电子传递和光合电子传递中的生理作用尚不明确，尤其是在海洋蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002中，其细胞色素氧化酶的种类、功能及其对光抑制和PS I:PS II比例的影响有待阐明。
研究策略
克隆并测序Synechococcus sp. PCC 7002的两个细胞色素氧化酶基因簇ctaCIDIEI和ctaCIDIIEII；通过插入突变分别及同时失活ctaDI和ctaDII，获得纯合突变株；比较野生型与突变株在生长速率、色素含量、氧消耗、氧释放、77K荧光、P700氧化还原动力学及PAM荧光等方面的表型差异。
核心内容
该研究克隆并测序了海洋蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002中两个细胞色素氧化酶操纵子ctaCIDIEI和ctaCIDIIEII，发现该菌株缺乏cydAB型醌醇氧化酶。通过分别及同时失活ctaDI和ctaDII获得纯合突变株，并比较了野生型与突变株的呼吸速率、光合特性及氧化还原动态。结果显示，ctaDI突变体暗呼吸耗氧速率较野生型（24 μmol O2/mg Chl/h）降低66%至8 μmol O2/mg Chl/h，而ctaDII单突变体呼吸速率与野生型相近，表明CtaDI是主要的呼吸氧化酶。ctaDI突变体在正常光强下Fv/Fm'为0.38，显著低于野生型的0.47，P700+还原半衰期也由120 ms缩短至70 ms，77K荧光显示其PS II含量明显降低。这些结果表明，CtaDI通过消耗氧气维持光合电子传递链的氧化还原平衡，在应对过量电子供给、减轻光抑制及维持PS I/PS II比例中发挥关键作用，缺失该酶会损伤PS II功能并改变PS I/PS II比例。
创新点
首次报道Synechococcus sp. PCC 7002缺乏cydAB型醌醇氧化酶，仅含有ctaCIIDEI和ctaCIIIDIIEII两个血红素铜氧化酶操纵子；通过基因突变和生理分析揭示CtaDI（初级氧化酶）在维持PS I/PS II比例、电子传递氧化还原平衡以及对抗光抑制中发挥关键作用。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 呼吸电子传递链/光合电子传递链 | ctaCI, ctaDI, ctaEI | CtaCI, CtaDI, CtaEI | 催化 | ctaCIDIEI基因簇编码aa3型血红素铜细胞色素氧化酶，为主要呼吸氧化酶；CtaDI为最大亚基（预测549 aa，60.9 kDa），CtaCI含CuA结合位点。 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 呼吸电子传递链/光合电子传递链 | ctaCII, ctaDII, ctaEII | CtaCII, CtaDII, CtaEII | 催化 | ctaCIDIIEII基因簇编码次级血红素铜细胞色素氧化酶，转录水平较低；CtaDII预测551 aa，61 kDa，与Synechocystis sp. PCC 6803的CtaII类似，可能为bo型氧化酶。 |
关键发现
- 克隆并测序了ctaCIDIEI和ctaCIDIIEII两个操纵子
- ctaI基因簇转录为3.5 kb的多顺反子mRNA，ctaII转录水平极低（RNA blot检测不到，仅RT-PCR可检测）。ctaDI突变体暗呼吸耗氧速率比野生型（24±6 μmol O2/mg Chl/h）降低66%至8±2 μmol O2/mg Chl/h，ctaDI ctaDII双突变体降低70%至7±1 μmol O2/mg Chl/h，而ctaDII单突变体呼吸速率（21±6）与野生型相近。所有菌株对1 mM KCN敏感，残留耗氧约2.5 μmol O2/mg Chl/h。P700+还原半衰期：无抑制剂时野生型120±8 ms，ctaDI为70±5 ms，ctaDII为87±7 ms，双突变体为53±4 ms
- 加入10 mM DCMU后分别变为330±10、130±10、262±10和127±10 ms。在正常光强（250 μE m⁻² s⁻¹）下，ctaDI突变体Fv/Fm'为0.38±0.1，显著低于野生型0.47±0.1，而ctaDII为0.46±0.1，双突变体为0.33±0.1。77K荧光显示，在400和1500 μE m⁻² s⁻¹光强下，突变体PS II相关荧光峰（685 nm和695 nm）低于野生型，双突变体最显著。高光强（1500 μE m⁻² s⁻¹）下突变体PS II含量明显降低。生长速率、叶绿素和类胡萝卜素含量在150、250和700 μE m⁻² s⁻¹光强下野生型与突变体差异不大，但ctaDI突变体在250和700 μE m⁻² s⁻¹下叶绿素含量略低。氧释放速率在多种条件下无显著变化。
研究结论
Synechococcus sp. PCC 7002中，由ctaCIDIEI编码的初级细胞色素氧化酶（CtaDI）是主要的呼吸氧化酶，而ctaCIDIIEII编码的次级氧化酶贡献很小。细胞色素氧化酶通过消耗氧来应对过量电子供给，维持光合电子传递链的氧化还原平衡，并减少活性氧损伤，从而在光抑制和高光耐受中发挥重要作用。缺失ctaDI会降低PS II功能、改变PS I/PS II比例并加速P700+还原。