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发状念珠藻（Nostoc flagelliforme Bornet&Flah）,俗称发菜,是念珠藻科念珠藻属的耐旱种类。长期的陆生环境适应使发菜产生了一套复杂的调控机制来应对干旱胁迫。与水生蓝藻相比也具有更强光保护作用。目前蓝藻光保护机制主要有状态转换和非光化学淬灭等。在非光化学淬灭机制中,橙色类胡萝卜素蛋白（Orange Carotenoid Protein,OCP）发挥着重要作用。OCP是一种新型的光响应蛋白,在强光照射下,OCP能够由橙色的非活性状态转变为红色的活性状态,研究表明只有活性状态的OCP才能与藻胆体结合并诱导荧光淬灭反应,发挥保护光保护作用。目前在大部分测序的蓝藻基因组中已经发现OCP或其同源蛋白的编码基因,主要分类为全长OCP、N-末端结构域同源蛋白（Helical carotenoid protein,HCP）和C-末端结构域同源蛋白（C-terminal domain homologs of OCP,OCPC）。陆生蓝藻的基因组中通常含有多个ocp同源基因,然而陆生蓝藻中OCP的类型、生化特性以及生物学功能却尚未见报道。本文以陆生蓝藻发菜为材料,采用生物化学、分子生物学和结构生物学等方法对发菜中的OCP同源蛋白进行了鉴定和功能研究。所获得的主要研究结果如下:1.首先对发菜“红色蛋白”进行了鉴定和功能研究。采用离子交换色谱法分离了天然发菜中的“红色蛋白”,Native-PAGE结果显示“红色蛋白”可以分成6个红色的蛋白条带。分别利用LC-MS/MS对这6条带做了肽段鉴定,证明了“红色蛋白”主要由4种HCP蛋白组成（HCP 1、HCP2、HCP3、HCP6）,并且色素分析结果显示组成“红色蛋白”的HCP只结合角黄素。电子顺磁共振波谱分析结果表明“红色蛋白”在体外具有较高的清除单线态氧的活性,10 μM“红色蛋白”可完全淬灭体反应系中产生的活性氧。对比野生发菜,实验室水培的发菜中无法分离到“红色蛋白”,也检测不到角黄素,证实“红色蛋白”只在天然发菜中积累。此实验表明OCP在发菜适应干旱生境中可能发挥着重要作用。2.同时,对复水和失水过程中发菜ocp同源基因的表达模式进行了分析。同源序列比对发现发菜的基因组中含有7个ocp同源基因,包括2个ocp基因（ocpx1、ocpx2）、4个hcp基因（hcp1、hcp2、hcp3、hcp4）和1个ocpC基因。RT-PCR结果表明这7个ocp同源基因在发菜中都能表达。通过qRT-PCR对复水0、1、6、24h和失水10%、50%、90%的发菜中各种ocp同源基因的表达水平进行了比较,发现hcp1、hcp2和hcp6的表达显著受到细胞失水的诱导,相反,在发菜复水过程中这些基因的转录下调。此实验结果表明,干燥状态下发菜通过提高hcp基因的表达,从而在细胞中大量积累“红色蛋白”。3.为了研究发菜OCP的生化特性和生物学功能,我们将发菜β-胡萝卜素酮酶（CrtW）和OCP在能够产生β-胡萝卜素的大肠杆菌中表达,经过诱导和纯化获得了 7种结合角黄素的OCP蛋白。吸收光谱的结果表明OCPx2只有一个吸收峰,与其他蓝藻中的OCP显著不同,而HCP的最大吸收峰也更接近蓝光区。同时,光谱实验表明除HCP2外,OCPC能够分别与HCP1、HCP3和HCP6发生色素传递,且进一步体外pull-down实验结果表明HCP1和OCPC之间有强烈的蛋白相互作用。4.比较OCP进化树发现发菜的OCPx（OCPx1和OCPx2）与经典的OCP1处于不同的分支。为了研究其可能的光保护作用机制,本论文中首先比较了两种OCPx蛋白的光转换性质和功能。光谱检测实验发现,相比较OCPx2,OCPx1具有更加高效的光转换机制,同时也能够在黑暗中快速失活。荧光光谱实验表明活化的OCPx1能够显著地淬灭发菜藻胆体的荧光,但OCPx2的光转换和淬灭藻胆体荧光的能力较弱。因此发菜OCPx1可能在干旱条件下发挥主要光保护作用。5.为了说明OCPx1和OCPx2作用机制的差异,分别解析了发菜OCPx1单体和结合角黄素的OCPx2的晶体结构。通过比对发现OCPx1与经典OCP1蛋白的结构具有高度保守性。而OCPx2的构象与经典OCP1有一定的差异,主要体现在N-端结构域中α螺旋结构之间的柔性连接区。这些连接区可能通过调控与类胡萝卜素相互作用的氨基酸的构象,进而影响整个OCP的光转换活性。因为目前还没有获得结合角黄素的OCPx1复合物结构,具体的结构差异还有待于进一步研究阐释。本论文以发菜为材料,利用不同实验方案对光保护蛋白OCP从多层次进行了研究,发现OCP可能在发菜耐受干旱胁迫过程中发挥重要作用,为进一步研究陆生蓝藻的光保护机制提供了研究基础。