納米氧化鈦促進光合碳同化作用的機制研究

鑒于納米氧化鈦的光催化特性,我們曾研究證實這種光催化特性與*的光合作用有密切關(guān)系,不僅能明顯促進光能的吸收、光能轉(zhuǎn)換為電能及活躍的化學(xué)能,還能促進CO2的同化,但對于促進碳同化的作用機制缺乏深入研究。因此我們利用一定濃度的納米氧化鈦處理*這一研究光合作用的模式植物,從基因表達和蛋白結(jié)構(gòu)、含量及活性變化方面系統(tǒng)的研究了光合碳同化過程中關(guān)鍵酶Rubisco(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)以及調(diào)控其活性的Rubsico活化酶的變化,從分子水平闡述了納米氧化鈦促進碳同化的主要機制,為納米復(fù)合肥的開發(fā)利用提供了充分的理論依據(jù)。 論文主要涉及以下幾個內(nèi)容: (1)利用RT-PCR和Northern-Blotting及蛋白電泳和Western-blotting分析手段研究納米氧化鈦處理后*Rubisco活化酶及Rubisco酶基因表達和蛋白含量的變化。結(jié)果表明:納米氧化鈦能明顯促進mRNA表達,Rubisco小亞基mRNA和Rubisco大亞基mRNA表達量分別增加了32%和23%,rca(Rubisco活化酶)的mRNA增加較顯著,約為51%。*體內(nèi)Rubisco,Rubisco活化酶含量分別增加了40%和42%。 (2)研究了納米氧化鈦處理后*體內(nèi)Rubisco活化酶結(jié)構(gòu)和活性的影響。酶活性分析表明納米氧化鈦處理后Rubisco活化酶活性有明顯的提高,為對照處理酶活性的2.7倍,而體相氧化鈦處理效果不明顯。吸收光譜和熒光**光譜強度也明顯**對照的純Rubisco活化酶,CD光譜計算證實納米氧化鈦處理的活化酶二級結(jié)構(gòu)與對照有較大差異,α-螺旋、β-折疊和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)都有明顯的增加,分別為12%、18%和13%,無規(guī)則卷曲明顯下降,證實納米氧化鈦處理明顯改變了Rubisco活化酶的二級結(jié)構(gòu)。 (3)用納米氧化鈦處理*后在國內(nèi)外**證實納米氧化鈦的處理可誘導(dǎo)*體內(nèi)形成Rubsico及Rubsico-Rubsico活化酶組成的**復(fù)合體。從納米氧化鈦處理的*體內(nèi)純化得到的蛋白其SDS-PAGE電泳分析證明除具有Rubsico的大小亞基(55kD,14.4kD)之外,在鄰近大亞基處還具有Rubsico活化酶的45和41kD的兩個大亞基;非變性PAGE電泳分析證明除具有Rubsico的一條帶(560kD)以外,還有一條分子量在1200kD左右的帶,經(jīng)過蛋白印跡證實為Rubsico和Rubsico活化酶的復(fù)合體;通過酶活性分析表明該**復(fù)合體的羧化活性是對照純Rubisco羧化酶活性的2.67倍,同時還具有Rubsico活化酶水解ATP的功能。這種酶蛋白**復(fù)合體總巰基數(shù)比對照純Rubisco每mol多53個,表面巰基數(shù)多21個;吸收光譜和熒光**光譜強度的增加顯示色氨酸殘基量明顯**對照的純Rubisco, CD光譜計算表明酶蛋白**復(fù)合體的二級結(jié)構(gòu)與對照純Rubisco有較大差異,α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)明顯增加。 通過研究我們認(rèn)為納米氧化鈦促進光合碳反應(yīng)的主要分子機制為:納米氧化鈦處理后,*體內(nèi)Rubisco活化酶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化,使其活性得到大幅度的提高,并且通過促進Rubisco和Rubisco活化酶mRNA表達使兩者含量在*體內(nèi)也一定程度的增加,進而誘導(dǎo)形成了Rubsico-Rubsico活化酶復(fù)合體,較終促進了Rubsico的羧化作用,提高了CO2的同化效率