纳米氧化钛促进光合碳同化作用的机制研究

论文摘要

鉴于纳米氧化钛的光催化特性,我们曾研究证实这种光催化特性与菠菜的光合作用有密切关系,不仅能明显促进光能的吸收、光能转换为电能及活跃的化学能,还能促进CO2的同化,但对于促进碳同化的作用机制缺乏深入研究。因此我们利用一定浓度的纳米氧化钛处理菠菜这一研究光合作用的模式植物,从基因表达和蛋白结构、含量及活性变化方面系统的研究了光合碳同化过程中关键酶Rubisco（ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase）以及调控其活性的Rubsico活化酶的变化,从分子水平阐述了纳米氧化钛促进碳同化的主要机制,为纳米复合肥的开发利用提供了充分的理论依据。论文主要涉及以下几个内容:（1）利用RT-PCR和Northern-Blotting及蛋白电泳和Western-blotting分析手段研究纳米氧化钛处理后菠菜Rubisco活化酶及Rubisco酶基因表达和蛋白含量的变化。结果表明:纳米氧化钛能明显促进mRNA表达,Rubisco小亚基mRNA和Rubisco大亚基mRNA表达量分别增加了32%和23%,rca（Rubisco活化酶）的mRNA增加更显著,约为51%。菠菜体内Rubisco,Rubisco活化酶含量分别增加了40%和42%。（2）研究了纳米氧化钛处理后菠菜体内Rubisco活化酶结构和活性的影响。酶活性分析表明纳米氧化钛处理后Rubisco活化酶活性有明显的提高,为对照处理酶活性的2.7倍,而体相氧化钛处理效果不明显。吸收光谱和荧光发射光谱强度也明显高于对照的纯Rubisco活化酶,CD光谱计算证实纳米氧化钛处理的活化酶二级结构与对照有较大差异,α-螺旋、β-折叠和β-转角结构都有明显的增加,分别为12%、18%和13%,无规则卷曲明显下降,证实纳米氧化钛处理明显改变了Rubisco活化酶的二级结构。（3）用纳米氧化钛处理菠菜后在国内外首次证实纳米氧化钛的处理可诱导菠菜体内形成Rubsico及Rubsico-Rubsico活化酶组成的超复合体。从纳米氧化钛处理的菠菜体内纯化得到的蛋白其SDS-PAGE电泳分析证明除具有Rubsico的大小亚基（55kD,14.4kD）之外,在邻近大亚基处还具有Rubsico活化酶的45和41kD的两个大亚基;非变性PAGE电泳分析证明除具有Rubsico的一条带（560kD）以外,还有一条分子量在1200kD左右的带,经过蛋白印迹证实为Rubsico和Rubsico活化酶的复合体;通过酶活性分析表明该超复合体的羧化活性是对照纯Rubisco羧化酶活性的2.67倍,同时还具有Rubsico活化酶水解ATP的功能。这种酶蛋白超复合体总巯基数比对照纯Rubisco每mol多53个,表面巯基数多21个;吸收光谱和荧光发射光谱强度的增加显示色氨酸残基量明显高于对照的纯Rubisco, CD光谱计算表明酶蛋白超复合体的二级结构与对照纯Rubisco有较大差异,α-螺旋和β-转角结构明显增加。通过研究我们认为纳米氧化钛促进光合碳反应的主要分子机制为:纳米氧化钛处理后,菠菜体内Rubisco活化酶结构产生了变化,使其活性得到大幅度的提高,并且通过促进Rubisco和Rubisco活化酶mRNA表达使两者含量在菠菜体内也一定程度的增加,进而诱导形成了Rubsico-Rubsico活化酶复合体,最终促进了Rubsico的羧化作用,提高了CO2的同化效率。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1. 研究背景 Rubisco和Rubisco活化酶分子生物学研究进展
• （一）简介
• （二）Rubisco酶的分子特性
• （三）Rubisco的活化及活化酶
• （四）Rubisco 活化酶的结构和功能
• （五）Rubisco 活化酶可能活化机理
• （六）Rubisco-Rubisco 活化酶复合体的证据:特定 Rubisco 残基相互作 用及识别的专一性
• （七）环境因素对Rubisco及Rubisco活化酶的活性及基因表达调控的影 响
• （八）金属离子与Rubisco及Rubisco活化酶活性的关系
• （九）纳米氧化钛与光合作用的关系
• （十）小结
• 参考文献
• 2. 引言
• 3. 第一部分 纳米氧化钛对菠菜Rubisco活化酶基因表达调控的影响及其机理研究
• 1 实验部分
• 2 结果与讨论
• 3 结论
• 参考文献
• 4. 第二部分 纳米氧化钛对菠菜Rubisco活化酶结构及其活性影响
• 1 实验部分
• 2 结果与讨论
• 3 结论
• 参考文献
• 5. 第三部分 纳米氧化钛促进菠菜光合作用碳反应的作用机制
• 1 实验部分
• 2 结果与讨论
• 3 结论
• 参考文献
• 6. 第四部分 纳米氧化钛对菠菜Rubisco基因表达调控的影响及其机理研究
• 1 实验部分
• 2 结果与讨论
• 3 结论
• 参考文献
• 7. 结论
• 8. 攻读学位期间公开发表以及待发表的论文
• 9. 课题资助情况
• 10. 致谢