光状态转换是放氧型光合生物的普遍行为,其功能是在入射光频率发生变化下调控光系统Ⅱ(PSⅡ)和光系统Ⅰ(PSⅠ)激发能分配的平衡,以保证放氧中心到固碳中心之间的电子流畅通和实现光合作用效率的最大化,蓝藻光状态转换机制是光合作用领域的重要研究问题之一。前期,本实验室利用甜菜碱“固定”藻胆体技术和低温荧光仝组份分析方法,首先澄清“藻胆体流动”和“能量溢出”两种机制长期争论问题,证明“藻胆体流动”是普遍机制,PSⅡ向PSⅠ的“能量溢出”仅是光一暗变换下发生的特殊行为,且定量评价了两种机制的相对贡献;并揭示“能量溢出”是光一暗变换导致类囊体膜基质侧氢离子浓度增加驱动PS I单体化的结果。利用激光共聚焦荧光显微技术,证明了藻胆体在蓝藻细胞全细胞域的流动性,并发现强激光照射下藻胆体与PSⅡ特异光化学交联现象;观察到橙光照射下藻胆体“寻找”平衡位点的动态行为。　　 基于以上研究基础以及国际上的研究现状,本论文集中研究蓝藻光状态转换中一些尚待澄清的问题,取得的主要研究结果如下:　　 1、蓝光照射下蓝藻光系统激发能分配平衡的调控机制:　　 在蓝光(436nm)照射下,蓝藻细胞时间相关的低温荧光光谱揭示藻胆体组份和光系统组份各异性荧光动力学,揭示光状态转换涉及到两种不同机制:(1)蓝光光照开始后,藻胆体杆荧光升高而藻胆体核荧光降低与PSⅡ荧光升高而PS I荧光降低同步发生,证明藻胆体向PSⅡ移动并补充激发能;(2)状态转换进行到中途以后,藻胆体荧光涨落不再发生,PSⅡ和PS I荧光相对升、降持续到状态转换完成。说明藻胆体完全转移到PS II仍不足以补偿其激发能,PSⅡ和PS I荧光相对涨落表示后者向前者的激发能转移。　　 2、在如上所述状态转换第二阶段,伴随藻胆体荧光涨落消失以及PSⅡ和PS I持续升降,出现动力学衰减的长波发射组份(760nm),760nm是PS I三聚体特征发射峰,提示PS I三聚体分解,时间相关吸收光谱检测到蓝藻细胞和类囊体膜复合物中都出现蓝光驱动的PS I单体化,单体化相当于PS I有效浓度增加、与PS II距离的减小、导致发射光谱的蓝移,增加了PS I向PsⅡ能量转移的概率;单体化与光系统II和光系统I荧光相对升降动力学一致;说明这种“反向能量溢出”由PS I单体化诱发;时间相关的吸收光谱探测到动力学相同的960m光谱组份升高,960nm组份来源于类胡萝卜素自由基阳离子的吸收,提示Ps I单体化的诱发力可能与类胡萝卜素自由基阳离子有关。　　 3、蓝藻状态转换在蓝光50-500μmol m-2s-1蓝光和橙光10-120μmol m-2s-1都能正常进行,动力学分析发现状态转换程度守恒而速率与光强成正比。光状态转换保持放氧到固碳之间电子流通畅,避免电荷复合导致活性氧产生,因此光状态转换也是一种光保护机制。说明蓝藻光状态转换在正常光合作用光强范围具有重要的生理意义,并非限于极低光强。　　 4、利用前期发展的藻胆体光交联方法,证明藻胆体与膜蛋白只能发生于“固定”的光状态1而不发生于其它光状态,且在状态1(藻胆体与PSⅡ连接)—状态2(藻胆体离开PS II)转换过程中,藻胆体光交联量是随光照时间的分立函数—时刻0为1其它时刻为0。显然,如果光状态由藻胆体在两个光系统上的相对布居调控,藻胆体光交联量应该是光照时间的连续函数。藻胆体光交联量的(0,1)分布模式清楚证明在状态转换过程中所有藻胆体的集体同步迁移模式,而荧光涨落幅度反映藻胆体同步迁移的尺度。　　 5、系统研究了甜菜碱小分子与藻胆体和不同聚集态藻胆蛋白的相互作用机制,发现甜菜碱与超分子蛋白聚集体或基元蛋白之间涉及两种不同的分子作用机制,对于藻胆体和藻胆蛋白超分子聚集体,甜菜喊分子屏蔽连接多肽与蛋白之间的静电相互作用,导致结构疏松;对于基元蛋白(藻胆蛋白单体),甜菜碱强化了蛋白之间的疏水相互作用,导致结构紧凑。