加快光保護機制反而限制了擬南芥的生物量積累

德國慕尼黑大學(xué)的科研人員，通過Imaging-PAM葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，闡釋了植物光保護機制與生物量積累之間深刻而復(fù)雜的關(guān)系。研究表明，加快光保護機制反而限制了擬南芥在波動光下的生物量積累，未能重現(xiàn)該策略之前在煙草上的成功。文章認(rèn)為，改變光保護對植物生產(chǎn)性能（包括產(chǎn)量）的影響需要在其他（模式）物種中重現(xiàn)，然后才能被視為提高作物生產(chǎn)力的廣泛有效策略。作者預(yù)計僅增強光合作用不足以提高作物產(chǎn)量，還需要同時提高其源庫能力。文章發(fā)表在Nature Plants上。

更快的光保護作用有可能增加生物量的積累。事實上，在煙草VPZ株系中，三種光保護蛋白的平行過度表達(dá)已經(jīng)實現(xiàn)了這一點。為了探索這種方法的應(yīng)用范圍，我們構(gòu)建了擬南芥VPZ株系。這些株系的光保護作用更快，但在波動光照下生長速率和生物量積累受到抑制。這意味著該策略可能會干擾控制激發(fā)能量分布的其他機制，或干擾源-庫關(guān)系或質(zhì)體信號。

植物的生物量生產(chǎn)和作物產(chǎn)量依賴于光合作用過程中光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，但過多的光會破壞光合機構(gòu)。為了避免這種情況，開花植物已經(jīng)進(jìn)化出了一種光保護機制，使它們能夠通過所謂的非光化學(xué)猝滅（NPQ）機制將多余的激發(fā)能量作為熱量散發(fā)出去。NPQ水平與類囊體蛋白PsbS含量呈正相關(guān)。調(diào)節(jié)NPQ水平的第二個組成部分是葉黃素循環(huán)，在這個循環(huán)中，紫黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)分別通過紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶（violaxanthin deepoxidase, VDE）和玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶（zeaxanthin epoxidase, ZEP）可逆地相互轉(zhuǎn)化。事實上，NPQ的誘導(dǎo)是由VDE催化的玉米黃質(zhì)的產(chǎn)生來刺激的，而當(dāng)光照強度再次降低時，NPQ的弛豫是恢復(fù)高光合速率所必需的，它依賴于通過ZEP提高玉米黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為紫黃質(zhì)的速率。

原則上，那些能夠更快地降低NPQ的植物也應(yīng)該能夠更快地重建高光合作用速率，從而提高生產(chǎn)力。最近，這一概念在葉黃素循環(huán)加速和PsbS水平增加的煙草植株中得到了驗證，這些植物被設(shè)計成同時過度表達(dá)VDE、ZEP和PsbS蛋白。正如計算機模擬所預(yù)測的，在波動光照下，得到的VDE-PSBS-ZEP（VPZ）株系表現(xiàn)出增加了葉片二氧化碳吸收和植物干物質(zhì)生產(chǎn)力。由于葉黃素循環(huán)和PsbS在所有開花植物中都是保守的，因此該生物工程案例研究被提議代表提高糧食作物生產(chǎn)力策略的概念證明。

為了測試在煙草以外的物種中是否能以這種方式提高生長和生物量，我們將煙草中使用的結(jié)構(gòu)引入到模式開花植物擬南芥（以下簡稱擬南芥；見方法）。在得到的轉(zhuǎn)基因植株中測定了VDE、PSBS和ZEP的轉(zhuǎn)錄水平，并選擇了三個轉(zhuǎn)基因表達(dá)量最大的獨立轉(zhuǎn)基因擬南芥VPZ株系（圖1a）。免疫印跡分析顯示，VDE、PsbS和ZEP的累積量分別為野生型（WT）濃度的5.2倍、2.4倍和5.1倍（圖1b）。這些過表達(dá)水平明顯低于煙草VPZ系（分別為30倍、4倍和74倍），但轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物水平之間的比率是可比較的，并且在先前觀察到明顯效果的范圍內(nèi)（例如參考文獻(xiàn)10中2.7倍的PsbS過表達(dá)明顯改變了煙草的水分利用效率）。

圖1 VDE、PsbS和ZEP在擬南芥VPZ株系中的表達(dá)

a、從4周齡WT（Col-0）和三個獨立的VPZ株系（nos.2，4，7）中分離總RNA，并以ACT2為參照物，用qPCR法定量ZEP、VDE和PSBS轉(zhuǎn)錄水平。數(shù)據(jù)表示為n=5個獨立植物的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（用圓圈表示），并根據(jù)雙尾t檢驗顯示與Col-0相比的s.d.值（P≤0.05）。b、用SDS-PAGE分離從a中提取的總蛋白的小份（20μg）并使用特定抗體進(jìn)行免疫印跡。從三個實驗的代表性印跡，平均值±s.d.的帶強度。
 

圖2  擬南芥VPZ株系表現(xiàn)出增強的光保護動態(tài)
 

a、波動光下NPQ的加速誘導(dǎo)和弛豫。在標(biāo)準(zhǔn)條件（見方法）下生長的4周齡WT（Col-0）植物和三個獨立的擬南芥VPZ系（2號、4號、7號）進(jìn)行暗適應(yīng) 20分鐘，并暴露在波動光下（FL2: 50 μmol m⁻² s⁻¹下6個周期5分鐘，500 μmol m⁻² s⁻¹下1分鐘）。用Imaging-PAM熒光成像系統(tǒng)測定了PSII（ΦII）和NPQ的有效量子產(chǎn)率。點代表n=8個獨立實驗的平均值，根據(jù)雙尾t檢驗（P≤0.05），三條線的統(tǒng)計差異用星號（*）表示。b、黑暗條件下NPQ的松弛。在a中所示的實驗之后，立即將植株轉(zhuǎn)移到黑暗中，以5 s的分辨率記錄5分鐘的NPQ，并將其歸一化為初始值。點表示n=5個獨立實驗的平均值，而直線表示雙指數(shù)模型的最佳擬合。c、穩(wěn)態(tài)和波動光（FL3）條件下ΦII和NPQ的變化過程。從擴展數(shù)據(jù)圖2中所示的光響應(yīng)曲線的三個初始值導(dǎo)出值。數(shù)據(jù)表示為n=7個獨立實驗的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（用圓圈表示），并指出根據(jù)雙尾t檢驗（P≤0.05）得出的WT的統(tǒng)計差異。
 

圖3 擬南芥VPZ株系的生長和生物量積累

a、具有代表性的4周齡WT（Col-0）和三個獨立的VPZ植物（2號、4號、7號）的圖像，它們要么生長在溫室（GH）中，要么生長在12小時的光照下（125 μmol 光子 m⁻² s⁻¹）/12 h暗周期（CL）或12 h波動光（50 μmol 光子 m⁻² s⁻¹，持續(xù)5分鐘，接著是500 μmol 光子 m⁻² s⁻¹，持續(xù)1分鐘）/12小時暗循環(huán)（FL2）。比例尺，1厘米。b、 c，對一組植物的蓮座直徑（b）和鮮重（c）進(jìn)行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)為GH（b，c）和CL（b）的n=3個獨立實驗的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，F(xiàn)L2（b）和CL和FL2（c）的n=4，并用圓圈表示。用雙尾t檢驗（P≤0.05）與WT有統(tǒng)計學(xué)差異。

擴展數(shù)據(jù)圖1 擬南芥 VPZ株系顯示了在波動光域FL1下光保護的增強動態(tài)

實驗如圖2a所述進(jìn)行，但應(yīng)用了波動光區(qū)域FL1（在50 μmol  m⁻² s⁻¹下3 min和在500 μmol m⁻² s⁻¹下3 min的6個周期）。點代表n=8個獨立實驗的平均值，根據(jù)雙尾t檢驗（P≤0.05），WT的三條線（編號2、4和7）的統(tǒng)計差異用星號（*）表示。
 

擴展數(shù)據(jù)圖2  電子傳遞速率（ETR）和NPQ響應(yīng)穩(wěn)態(tài)或波動光狀態(tài)

a、穩(wěn)態(tài)（左）或波動光（FL3）（右）響應(yīng)曲線的設(shè)計。b、 c，電子傳輸速率（ETR），單位為μmol，（b）和NPQ（c）在4周齡野生型（WT）和3個獨立的VPZ株系（2號、4號和7號）。點代表n=7個獨立實驗的平均值。根據(jù)雙尾學(xué)生t檢驗，WT的標(biāo)準(zhǔn)差和統(tǒng)計差異的相應(yīng)數(shù)據(jù)可以作為源數(shù)據(jù)。

由于相關(guān)研究內(nèi)容非常專業(yè)，難免有些理解不準(zhǔn)確或者編輯整理的疏漏，請以英文原文為準(zhǔn)。

全文閱讀：
Garcia-Molina, A., Leister, D. Accelerated relaxation of photoprotection impairs biomass accumulation in Arabidopsis. Nat. Plants 6, 9–12 (2020).

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