光合作用生成ATP和NADPH用于固定CO₂产生碳水化合物以及合成一系列自养生长必不可少的化合物,实现了光能向化学能的转换。光合电子传递过程中类囊体囊腔积累的大量质子形成了跨膜质子驱动力pmf,来驱动ATP的合成。根据Mitchell化学渗透假说,pmf由两个组分组成,分别为跨膜质子浓度梯度?pH和跨膜电位梯度Δψ。已有研究表明二者在热力学上是等效的。在线粒体中,Δψ是pmf中维持催化反应更有效的组分,而在叶绿体中,?pH是pmf的主要组分,Δψ必须被快速的耗散,从而使类囊体囊腔维持有效的pH。在叶绿体中,由于一些离子(比如Cl^-,K⁺,Mg²⁺)进出囊腔,Δψ很快被耗散,?pH取代Δψ成为pmf的主要组分。这些离子进出类囊体需要依赖于离子通道蛋白或者离子转运体。目前已经报道了定位于叶绿体类囊体膜上的K⁺通道蛋白TPK3、K⁺/H⁺协同转运蛋白KEA3以及Cl^-转运蛋白AtBest等多种离子通道蛋白和离子转运体,但它们是如何协同运作的目前还不清楚。为了研究光合作用过程中Δψ调节的分子机理,我们筛选获得了NPQ诱导缺陷的突变体kea3-S。突变体kea3-S的突变发生在KEA3基因的第709 bp处,其编码的蛋白在第237位,氨基酸突变为丝氨酸。拟南芥KEA3蛋白已被证实是一个K⁺/H⁺协同转运蛋白,它利用K⁺交换H⁺,从而降低囊腔pH,维持类囊体囊腔的质子浓度。光诱导NPQ和光饱和ETR曲线测定结果显示,突变体的NPQ和ETR水平分别明显或稍微低于WT,说明这个点突变导致KEA3蛋白的构象发生了改变,从而使它加速泵出H⁺,导致跨膜质子梯度降低,继而引起电子传递速率的降低。为了研究KEA3和Cl^-通道蛋白AtBest如何协同调节光合跨膜电位,我们构建了双突变体kea3-S best1-2,光合特性测定分析发现kea3-S best1-2的Δψ水平较野生型偏高,NPQ诱导水平显著低于野生型和单突变体;叶绿素荧光分析发现PSII受体侧的还原程度较野生型偏高,PSI供体侧氧化程度较野生型偏低,表明kea3-S best1-2双突变体中电子由质体醌向下传递受阻,同时质体蓝素能够接受到足够多的电子;蛋白质免疫印迹和蓝绿温和电泳分析结果表明,AtBest蛋白缺失和Kea3点突变导致KEA3氨基酸的改变不影响光合作用相关蛋白及类囊体膜复合物的累积;这些结果表明KEA3和AtBest的活性调节对于维持类囊体囊腔内质子浓度发挥着重要的作用。综上所述,AtBest蛋白和KEA3蛋白协同调节质子在类囊体囊腔内的累积,继而调控光合电子传递及跨膜电位,相关工作对揭示跨膜电位Δψ调控光合作用的分子机理具有重要的生物学意义。