《Plant Cell》论文：利用差示吸收-叶绿素荧光-气体交换测量技术深入研究光合生理

近日，德美科学家运用差示吸收、叶绿素荧光和气体交换测量技术在*刊物《Plant Cell》上在线发表了研究成果。该研究通过分子生物学技术构建突变体，然后结合气体交换测量系统GFS-3000、双通道PAM-100测量系统Dual-PAM-100、以及动态LED阵列差示吸收光谱仪KLAS-100等光合生理研究设备，对突变体光合作用的光反应、暗反应、电子传递、跨膜质子动力势，电子传递体的活性等进行了直接全面的测定和分析。为研究结果提供了可靠的直接证据支持，并在*刊物《Plant Cell》发表。这项研究代表了光合生理研究动向，具有很好的借鉴和启发意义。

 

研究摘要：烟草能够根据合成ATP和NADPH的需要严格控制ATP酶和细胞色素b₆f复合体的量。虽然细胞色素b₆f复合体能够通过催化光合电子传递的限速步骤调控光合同化过程，但同样重要的ATP酶在光合调控过程中的意义和作用尚不明确。该研究分别通过反义转基因技术抑制细胞核编码的γ亚基（AtpC）的合成，同时通过叶绿体转基因技术对叶绿体中atpB基因（编码β亚基）的起始密码子进行点突变来抑制ATP酶的合成。两种策略所得转基因植株中ATP酶的含量可降至野生型的100到<10%。结果表明，虽然电子传递链的组分并未发生太大的改变，但由于质体醌在细胞色素b₆f复合体处的再氧化速率下降（光合调控）使得线性电子传递被严重抑制。另外，非光化学淬灭在很低的光强下即被激发，这大大降低了CO₂同化的量子效率。研究发现其原因是稳态下跨膜质子动力势升高，导致类囊体腔过度酸化，从而诱导了光合调控及位于天线的激发能耗散，zui终导致了光合的下降。

 

 

 

图1. AtpC反义植株ATP酶含量下降发育迟缓。

（A） 野生型（WT）、弱（atpC2）和强（atpC1）反义株系

（B） RNA凝胶条带，可见植株表型与AtpC mRNA受抑制程度相关。

（C） AtpC反义植株蛋白质凝胶条带。为便于相对比较，依次为野生型25和50%稀释样品，野生型样品，弱和强反义植株样品。PSII核心亚基（PsbD），cyt-bf（PetA），PSI（PsaA）及ATP酶（AtpA）。

（D） 77K叶绿素a荧光发射光谱，表明转基因植株天线结构未发生改变。

 

 

 

图4. 同化能力及线性电子传递受到ATP酶活性的限制

（A） ATP酶活性（g_H⁺）与ATP酶含量的关系

（B）   同化速率（基于单位叶面积）与ATP酶活性（g_H⁺）的关系

（C） 线性电子传递（基于单位叶面积。通过叶绿素a荧光分析得到，并经叶片吸光系数修正。）与ATP酶活性（g_H⁺）的关系

 

 

 

图5. ATP酶含量下降导致稳态类囊体跨膜PMF升高

（A） 类囊体跨膜总pmf对不同光强的响应，由ECS信号在光暗转换时的zui大振幅（ECS_T）得到。

（B）   Pmf的组分ΔpH和ΔΨ对不同光强的响应。根据慢驰预动力学中由相反离子通过类囊体膜的ECS的比例求得（ECS_inv），与ECS_T有关。在GTG-atpB及反义株系中，总pmf大幅增加，特别是在低光强下。pmf的ΔpH组分略有下降。

 

 

 

图6. 线性电子传递速率下降，PSII受体侧过度还原，以及ATP酶减少加速诱导了qN的升高。

（A）   线性电子传递的光饱和曲线，通过PSII yield测定并经过叶片吸光系数修正。ATP酶含量下降严重抑制了线性电子传递。

（B）   PSII受体侧的氧化还原状态（qL）. 随着光强升高，PSII受体侧逐渐下降。需注意强反义株系和GTG-atpB在低光强下即表现这种效应。

（C）   非光化学淬灭（qN）. 反义株系和GTG-atpB在较低光强下qN即开始升高，这导致了激发能的热耗散增加，光合量子效率下降，因此光能利用率较低。

 

 

图7. ATP酶突变体中流经cyt-bf的线性电子传递受抑制

（A）   PSI和高能链依赖光强的供体侧氧化态随光强的变化

Cyt-f（B）和P₇₀₀（C）的还原速率减缓，表明光合调控导致线性电子传递受到抑制