loading

朱修安 (Chu, Hsiu-An)

副研究員

  • PDF Department of Chemistry, Michigan State University, East Lansing, USA (1995-2001)
  • Ph.D. Biochemistry, University of California at Riverside, USA (1994)
  • M.S. Biochemistry, University of California at Riverside, USA (1990)
  • B.S. Agricultural Chemistry, National Taiwan University (1986)
  • +886-2-2787-1047(Lab)
  • +886-2-2787-1169(Office)
  • chuha@gate.sinica.edu.tw
  • 植物光合作用反應中心光系統二的結構和分子機制

藍綠菌和植物的光合作用和光保護的分子機制研究

目前人類面臨全球暖化和極端氣候的嚴峻挑戰,節能減碳和積極開發再生能源是當務之急。 藍綠菌和植物進行光合作用快速和有效的固定空氣中的二氧化碳轉化成醣類,不僅提供地球上大部分生物的能量來源,也是重要的再生能源的選項。 研究藍綠菌和植物的光合作用和光保護的分子機制,可以找出增進生質能源效率和產量的可行方式,因此深具學術和應用價值。 我們實驗室的主要研究興趣是探討藍綠菌和植物的光合作用和光保護的分子機制。 目前本實驗室正在積極進行的研究主題包括 (一) 光系統二的細胞色素b559的光保護分子機制,(二) 光系統二QC結合位置的生理功能和QC結合位置的定點突變藍綠菌株生質能源的應用潛能,(三)台灣溫泉藍綠菌Thermosynechococcus CL-1 (TCL-1)的比較和功能基因體分析研究。 我們希望能應用光合作用的分子機制研究成果提供解決上述重大問題的方案。


本實驗室第一項重要的研究目標是探討光系統二的細胞色素b559的光保護分子機制。細胞色素b559 是光系統二反應中心的重要組成。過去的研究提出假說認為細胞色素b559在光抑制的條件下能夠透過次級電子傳遞路徑,提供電子或是接受電子,避免光系統二受到光抑制的傷害。然而上述關於細胞色素b559生理功能的假說一直未能以定點突變株的實驗證實。 為了探討細胞色素b559的生理功能,本實驗室過去在細胞色素b559的血紅素分子鍵結的位置(包括Histidine ligands和鄰近的3個Arginine residues)建構了一系列的模式藍綠藻Synechocystis PCC6803單點突變株,鑑定出一些具有穩定光系統二組成的突變株,並分離這些突變株的光系統二膜蛋白質複合體,進行詳細的光譜,生化和功能分析,提供細胞色素b559具有光保護生理功能的重要結構證據(Chiu et al., BBA Bioenergetics 2013; Chu and Chiu, Frontiers in Plant Science 2016)。

第二項重要的研究目標是探討光系統二QC結合位置的生理功能和QC結合位置的定點突變株生質能源的應用潛能。 過去2.9Å的溫泉藍綠菌光系統二結晶結構中,在細胞色素b559附近發現了一個新的plastoquinone(PQ)的分子結合的位置,目前生理功能並不清楚。我們根據光系統二的結晶結構,在模式藍綠菌Synechocystis PCC6803上QC結合位置和QC通道靠近光系統二外部進出口處附近構築了一系列的定點突變株,我們的葉綠素螢光分析的實驗結果顯示A16FJ,V32Fb, S23Aa 和S28Ab的突變株在在中強度(~60 mE m-2s-1)藍光的條件下天線蛋白質狀態轉變的現象相較於野生型更為顯著;在強(~400 mE m-2s-1)藍光的條件下,A16FJ,V32Fb, S23Aa 和S28Ab的突變株的藍光引起的熱消散的效應相較於野生型明顯受到抑制。在正常生長條件下,這些定點突變株的光合作用生長速率比野生型的藍綠菌增加1.1倍,生物質量則是比野生型的藍綠菌增加了30-40%。 我們推測這些突變株在一般生長光照的條件下,可能因為促進了天線蛋白質狀態轉變的現象並且部分抑制了藍光引發的熱消散的作用,而比野生型藍綠菌具有更高的光合作用效率和生質能產量的潛力(Huang et al., Biochemistry 2016 和 Photosynthetica 2018; 美國和台灣專利)。

第三項重要的研究目標是進行台灣溫泉藍綠菌Thermosynechococcus sp. CL-1的比較和功能基因體分析研究。在東亞地區的鹼性碳酸溫泉中,Thermosynechococcus屬是最主要的藍綠菌物種。其中一個新型菌株Thermosynechococcus sp. CL-1 是由國立成功大學的薛欣達博士從台東太麻里的金崙溫泉(pH 9.3, 62°C)採集與分離所得。我們透過和本所郭志鴻實驗室共同合作完成此菌株的全基因體分析與跨物種比較,結果發現CL-1與同屬其他溫泉藍綠菌的染色體結構及基因內容皆有相當大的不同,演化上的親緣關係也相當遠,因此可作為一個新種的代表。我們也發現CL-1曾經藉由水平轉移獲得許多新基因,其中一部分可能與其適應鹼性溫泉中不同種類的環境逆境有關。此成果對增進嗜熱溫泉藍綠菌的生理生態與演化有所貢獻 (Cheng et al., Frontiers in Microbiology 2020)。

All publication list

Selected publication list

  • Cheng YI, Chou Lin, Chiu YF, Hsueh HT, Kuo CH*, Chu HA*. (2020) Comparative genomic analysis of a novel strain of Taiwan hot-spring cyanobacterium Thermosynechococcus sp. CL-1. Front. Microbiol. 11:82.
  • Endo K, Kobayashi K, Wang HT, Chu HA, Shen JR, Wada H* (2019) Site-directed mutagenesis of two amino acid residues in cytochrome b559 α subunit that interact with a phosphatidylglycerol molecule (PG772) induces quinone-dependent inhibition of photosystem II activity. Photosyn. Res. 139, 267–279, 2019-02.
  • Huang JY, Hung NZ, Lin KM, Chiu YF, Chu HA* (2018) Regulating photoprotection improved photosynthetic growth and biomass production in the QC-site mutant cells of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Photosynthetica 56, 192-199.
  • Huang JY, Chiu YF, Ortega JM, Wang HT, Tseng TS, Ke SC, Roncel M, Chu HA* (2016) Mutations of cytochrome b559 and PsbJ on and near the QC site in photosystem II influence the regulation of short-term light response and photosynthetic growth of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Biochemistry 55:2214-2226.
  • Chu HA*, Chiu YF (2016) The roles of cytochrome b559 in assembly and photoprotection of photosystem II revealed by site-directed mutagenesis studies. Front Plant Sci. 6:1261 (mini Review).
  • Sheue CR*, Ho JF, Yao AW, Wu YH, Liu JW, Sauren D, Tsai CC, Chu HA, Chesson P and Ku MSB (2015) A Variation on Chloroplast Development: the Bizonoplast and Photosynthetic Efficiency in the Deep Shade Plant Selaginella erythropus. American J. Botany 102:1-12.
  • Chu HA* (2013) Fourier transform infrared difference spectroscopy for studying the molecular mechanism of photosynthetic water oxidation. Front Plant Sci. 4:146 (mini Review).
  • Chiu YF, Chen YH, Roncel M, Dilbeck PL, Huang JY, Ke SC, Ortega JM, Burnap RL and Chu HA* (2013) Spectroscopic and functional characterization of cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 mutants on the cytoplasmic-side of cytochrome b559 in photosystem II. Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics 1827:507-519.
  • Chen YT, Shen CH, Lin WD, Chu HA, Huang BL, Kuo CI, Yeh KW*, Huang LC* and Chang IF* (2013) Small RNAs of Sequoia sempervirens during rejuvenation and phase change. Plant Biology. 15:27-36
  • Chu HA, Chang IF, Shen CH, Chen YT, Wang HT, Huang LC* and Yeh KW* (2012) Photosynthetic properties and photosystem stoichiometry of in vitro-grown juvenile, adult, and rejuvenated Sequoia sempervirens (D. Don) Endl. Botanical Studies. 53:223-227.
  • Wang TH, Chen YH, Huang JY, Liu KC, Ke SC* and Chu HA* (2011) Enzyme kinetics, inhibitors, mutagenesis and EPR analysis of the dual-affinity nitrate reductase in unicellular N2-fixing cyanobacterium Cyanothece sp. PCC8801. Plant Physio. Biochem. 49:1369-1376.
  • Hou LH, Wu CM and Chu HA* (2011) Effects of ammonia on active water molecules of the oxygen-evolving complex in photosystem II as revealed by light-induced FTIR difference spectroscopy. Biochemistry 50:9248-9254.

Research Assistant:

林耕民 (Keng-Min Lin)

鄭晏宜 (Yen-I Cheng))

Postdoctoral Fellow:

邱宜芳 (Yi-Fang Chiu)