章 緒論

1.1 光合作用 2

1.1.1 光合作用場所 2

1.1.2 葉綠體結構 3

1.1.3 光繫統Ⅰ復合物結構 5

1.1.4 光繫統Ⅰ復合物電子傳遞鏈 7

1.2 葉綠醌（維生素K1）概述 8

1.2.1 葉綠醌的發現及其化學結構 8

1.2.2 葉綠醌性質及其生物學功能 9

1.2.3 植物中葉綠醌的檢測與分布 11

1.2.4 植物中葉綠醌生物合成途徑 12

1.2.5 藍藻中葉綠醌生物合成途徑 17

1.2.6 葉綠醌維持PSⅠ的功能研究 18

1.3 生育酚概述 19

1.3.1 生育酚的結構 19

1.3.2 生育酚的分布及功能 20

1.3.3 生育酚的生物合成途徑 21

1.4 研究設想及意義 23



第二章 植醇磷酸化途徑參與葉綠醌生物合成研究

2.1 研究方案 25

2.1.1 研究材料 25

2.1.2 研究方法 25

2.2 擬南芥vte6 突變體的表型、鋻定與互補研究 30

2.3 VTE6 參與植醇磷酸化途徑合成植基二磷酸 32

2.4 植醇磷酸化途徑參與葉綠醌的生物合成 34

2.5 本章小結 37



第三章 vte6 突變體的光合特性研究

3.1 研究方案 40

3.1.1 研究材料 40

3.1.2 研究方法 40

3.2 VTE6 蛋白特性研究 45

3.2.1 VTE6 蛋白同源性比對及其亞細胞定位分析 45

3.2.2 vte6 基因表達模式分析 47

3.3 vte6 突變體的波譜學分析 47

3.4 vte6 突變體PSⅠ互補量子產量分析 50

3.5 vte6 突變體穩態蛋白水平分析 51

3.6 vte6-3 突變體葉綠體超微結構分析 53

3.7 本章小結 54



第四章 葉綠醌調控PSⅠ的生物發生機理研究

4.1 研究方案 56

4.1.1 研究材料 56

4.1.2 研究方法 56

4.2 vte6-3 突變體PSⅠ相關基因穩態轉錄水平分析 58

4.3 vte6-3 突變體PSⅠ蛋白翻譯與合成分析 59

4.4 vte6-3 突變體PSⅠ復合物的組裝分析 61

4.5 vte6-3 突變體PSⅠ復合物穩定性分析 62

4.6 vte6-3 突變體對高光的敏感性分析 63

4.7 vte6-3 突變體活性氧測定 64

4.8 本章小結 65



第五章 集胞藻6803 中sll0875 的基因功能研究

5.1 研究方案 68

5.1.1 研究材料 68

5.1.2 研究方法 68

5.2 Δsll0875 突變體的構建與生長特性分析 70

5.3 Δsll0875 突變體葉綠素含量測定 72

5.4 Δsll 0875 突變體葉綠醌、質體醌-9 和生育酚含量測定 72

5.5 Δsll 0875 突變體光合特性分析 73

5.6 Δsll0875 突變體穩態蛋白水平分析 74

5.7 本章小結 75



第六章 總結與展望



附 錄

附錄1 本書所用擬南芥材料及培養條件 79

附錄2 所用引物信息 79

附錄3 中英文縮略詞 81



參考文獻

光合作用是光合生物（綠色植物、藍藻和光合細菌）利用光能將二氧化碳和水轉化為有機物並釋放氧氣的過程。它是地球上重要的化學反應，是地球生物圈形成與運轉的關鍵環節, 更是目前人類面臨新綠色革命的核心問題和發展未來能源的希望。早在2010 年，中國科學院在其“創新2050：科學技術與中國的未來”戰略研究報告中，就將光合作用列為22 個影響中國現代化進程的戰略性科技問題之一，並且預言它是可能出現革命性突破的一個基本科學問題（中國科學院辦公廳，2010），由此可見光合作用及其相關科學研究的重要性和必要性。

植物對光能的利用主要是在類囊體膜上具有一定分子排列和空間構像的四大復合物（光繫統Ⅱ復合物、細胞色素b6f 復合物、光繫統Ⅰ復合物和ATP 合成酶復合物）中進行。其中光繫統Ⅰ復合物（PSⅠ）是自然界中也是復雜的蛋白復合物之一，同時也是自然界中效的能量吸收和電子傳遞裝置。PSⅠ的生物發生不僅需要葉綠體基因組和細胞核基因組編碼的PSⅠ亞基間的協調作用，而且還涉及其中200 多個輔因子間以及輔因子與蛋白間的相互配合，從而終完成PSⅠ復合物的組裝並維持其結構的穩定。目前，盡管前人在PSⅠ的結構和功能研究方面已取得很大進展，鋻定到許多參與PSⅠ組裝及其穩定的蛋白因子，但是PSⅠ生物發生的分子機理仍不清楚，特別是對於PSⅠ的輔因子參與其生物發生過程的研究還很少。葉綠醌是PSⅠ本身特有的一類輔因子，是僅由光合生物合成的一類脂溶性維生素，同時也是一類極其重要的光依賴型電子傳遞體。過去大量的研究表明，在缺失葉綠醌的突變體中，PSⅠ復合物累積受損，PSⅠ活性大幅下降，但是對於其如何影響PSⅠ功能的分子機理還知之甚少。

植基二磷酸作為一個重要的代謝中間產物，參與了生物體內植醇磷酸化途徑，也是生育酚、葉綠醌和葉綠素合成的共同底物。但是，目前對於植基二磷酸的研究僅局限於影響生育酚的合成上，對於其另一個代謝產物葉綠醌的研究很少。因此，急需相關研究去探討植物中參與葉綠醌合成的植基二磷酸是否與生育酚一樣，也主要是通過植醇磷酸化途徑合成而非GG-PP 的還原。

本書彙集了著者近10 年的研究成果，力求全面深入地分析植醇磷酸化途徑中的關鍵酶——植基單磷酸激酶（VTE6）的功能及其影響PSⅠ生物發生的分子機制。該研究首次從分子水平揭示了植醇磷酸化途徑參與葉綠醌和生育酚的生物合成，並進一步從植物生理學、分子生物學及遺傳學等多方面繫統性地分析了葉綠醌在光合電子傳遞鏈上發揮的重要作用，並揭示了其參與光繫統Ⅰ復合物生物發生的分子機理，為進一步完善葉綠醌生物合成途徑和了解PSⅠ生物發生機制提供新的理解和認識。

全書共分為六章，主要包括：植醇磷酸化途徑參與葉綠醌生物合成研究、vte6突變體的光合特性研究、葉綠醌調控PSⅠ的生物發生機理研究、集胞藻6803 中sll0875 的基因功能研究等幾大內容。本書可以為從事光合作用研究，特別是光繫統Ⅰ復合物生物發生機制研究領域的科研人員提供參考和借鋻。

本書的出版，得到了國家自然科學基金面上項目“擬南芥PBF 蛋白調控光繫統Ⅰ生物發生的分子機理研究”、國家自然科學基金青年基金項目“具有降糖活性的胰蛋白酶抑制劑的篩選及其抑制α -葡萄糖苷酶活性的構效關繫研究”以及山西省應用基礎研究項目“具有降糖活性的胰蛋白酶抑制劑的特性及其降糖的作用機理研究”的資助，在此表示感謝。

鋻於著者查閱文獻的局限和學術水平有限，書中疏漏之處在所難免，懇請同行專家和讀者批評指正。



王蕾

2021年10月