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藻胆体(phycobilisome,PBS)作为蓝藻和红藻体内有氧光合的捕光天线系统,位于类囊体膜基质侧,由水溶性的藻胆蛋白(phycobiliprotein,PBP)和连接多肽(linker polypeptide)组成,其主要的功能是捕获光能,并将光能以95%以上的效率传递给光系统Ⅱ(PhotosystemⅡ,PSⅡ)。本研究主要利用冷冻透射电镜技术,结合吸收光谱、荧光光谱、超快时间分辨光谱和光谱解叠技术对藻类捕光天线系分离纯化、结构、稳定性、藻胆蛋白内部的能量传递及藻胆体内部蛋白间的能量传递等进行了研究,为了解其的结构和功能的关系提供了重要的实验数据,同时对于理解光合作用的原初过程也有重要的参考价值。主要研究内容及结果如下:1.紫球藻(Porphyridium purpureum,P.purpureum)藻胆体的制备通过添加终浓度1 mol/L苯甲基磺酰氟蛋白酶抑制剂(phenylmethanesulfonyl fluoride,PMSF),利用French Press高压匀浆细胞破碎仪破壁,聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)溶膜,进行超离和蔗糖密度梯度离心分离纯化藻胆体,结果表明以终浓度为2%的Triton X-100溶膜40 min,再加入终浓度1 mol/L PMSF蛋白酶抑制剂,用0.5~2.0 mol/L蔗糖梯度进行超速离心(37400 r/min,4.5 h),吸取1.5 mol/L蔗糖密度层,即获得紫球藻的完整藻胆体(F667/F570=3.16)。2.藻胆体的负染初步观察及冷冻透射电镜三维重构利用最新发展的Cryo-EM,对紫球藻藻胆体结构进行了观察,得到高质量的底面观和侧面观的藻胆体颗粒,为构建藻胆体的三维初始模型提供理论依据,并通过冷冻制样,对其进行了二维平均的单颗粒分析,构建了三维初始模型,优化制样条件,获得紫球藻藻胆体评估为5?左右分辨率的三维重构结果。3.紫球藻藻胆体稳定性的研究通过研究不同离子强度、温度、蔗糖溶液和多种离子(包括一价和二价阳离子及一价和二价阴离子)等因素对紫球藻藻胆体稳定性的影响。结果表明:高磷酸盐溶液、温度为18~23℃、蔗糖溶液有利于藻胆体结构稳定;一价阳离子对藻胆体结构稳定性的效果高于二价阳离子,同时一价阳离子分子质量越大,藻胆体稳定性越好。4.藻红蛋白(phycoerythrin,PE)内部的能量传递动力学对紫球藻藻红蛋白六聚体进行分离纯化,进行吸收光谱、荧光发射光谱及超快时间分辨光谱测定,结果表明:藻红蛋白六聚体纯度A545/A280=5.64,存在三个吸收峰,分别为498 nm,545 nm和565 nm;荧光发射峰位于570 nm左右。利用超快时间分辨光谱,从实验上证实B-PE六聚体能量传递具有3个时间组分为8 ps、60 ps和1200 ps,并对藻红蛋白内部的能量传递途径进行了指认。5.藻蓝蛋白(phycocyanin,PC)内部的能量传递动力学对钝顶螺旋藻(Spirulina platensis,S.platensis)藻蓝蛋白六聚体进行分离纯化,进行吸收光谱、荧光发射光谱及超快时间分辨光谱测定,结果表明:藻蓝蛋白六聚体纯度A620/A280=4.49,吸收峰位于618 nm左右,荧光发射峰位于644 nm左右。通过超快速时间分辨光谱,从实验上证实C-PC六聚体能量传递具有4个时间组分为6 ps、22 ps、280 ps和1470 ps,并对藻蓝蛋白内部的能量传递途径进行了指认。6.藻胆体内部蛋白之间的能量传递动力学通过测定原始红藻纲单细胞红藻紫球藻和大型多细胞海洋红藻(Griffithsia pacifica,G.pacifica)的藻胆体吸收光谱、荧光发射光谱及超快时间分辨光谱,结果表明:两者具有相似的吸收光谱特性和荧光光谱特征,但两者藻胆体的各成分有所不同,生活在光照条件较弱的G.pacifica为了捕获更多的光能,需要更多的外围天线-PE。紫球藻的半椭圆藻胆体的能量传递途径:从PE向PC的能量传递时间约9 ps,从PC向别藻蓝蛋白(allophycocyanin,APC)的能量传递时间有快速的65 ps和慢速的大约790 ps,以及1200 ps的APC的平均荧光衰减寿命;而大型多细胞海洋红藻的块状藻胆体的能量传递途径:从PE向PC的能量传递时间约8 ps,从PC向APC的能量传递时间有快速的100 ps,880 ps的PE的发射,以及2170 ps的APC的平均荧光衰减寿命。紫球藻的半椭圆藻胆体的整个能量传递(约74ps)要比大型多细胞海洋红藻块状藻胆体(108 ps)整个能量传递要快。