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《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

更新日期:2011-03-08   |  点击率:1307
近日,德美科学家运用差示吸收叶绿素荧光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。
 
研究中用到的主要仪器(点击链接可查看详细信息):
光合气体交换及叶绿素荧光同步测定GFS-3000 +3055FL荧光附件
质子动力势pmf测定:KLAS-100
叶绿素荧光、PSI差示吸收和PC的测定:标准版Dual-PAM-100和特殊版DUAL-PAMPCP700同步测量)
参考文献:http://www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.110.079111
 
 
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。
 
 
 
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(gH+)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(gH+)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(gH+)的关系
 
 
 
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(ECST)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(ECSinv),与ECST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