葉綠素熒光儀和光合儀高分應用文章集錦（2024年3月）

本文我們將回顧一下3月份德國WALZ調制葉綠素熒光儀參與發(fā)表的高分文章，其中不乏Nature Plants, Plant Cell, Plant Physiology, The Plant Journal等植物學領域專業(yè)期刊。另外還有多篇文章在Nature Communications，New Phytologist等綜合類期刊發(fā)表。德國WALZ制造的PAM調制葉綠素熒光儀在光合作用研究領域遙遙領先~遙遙領先~

Identification of two key genes involved in flavonoid catabolism and their different roles in apple resistance to biotic stresses (New Phytologist, IF=9.4)雖然黃酮苷元和糖苷的生物合成已經(jīng)被廣泛認知，但是，人們對它們降解中的關鍵基因卻知之甚少，盡管它們的水解和氧化產物在植物抗生物脅迫中起著重要作用。2024年3月1日，西北農林科技大學園藝學院的李鵬民教授團隊在New Phytologist上發(fā)表題為Identification of two key genes involved in flavonoid catabolism and their different roles in apple resistance to biotic stresses的最新研究成果。文章報告了二氫查耳酮(DHCs)的分解過程，DHCs是馴化蘋果和野生蘋果中最豐富的黃酮類化合物。通過活性導向蛋白純化鑒定了兩個關鍵基因BGLU13.1和PPO05。BGLU13.1-A水解根皮苷（馴化蘋果中含量最高的DHC），產生根皮素，然后根皮素被PPO05氧化。這一過程在一些野生蘋果中有所不同，在野生蘋果中，PPO05 主要氧化的是三葉苷（根皮素的一種位置異構體）。
該研究采用粗酶提取、大腸桿菌異源表達以及水解和氧化能力測定，HPLC和LC-MS 分析，分子建模，亞細胞定位，RNA 測序和等位基因特異性表達分析，啟動子克隆和活性測定，定量PCR分析，生物脅迫處理，TAB染色，葉綠素熒光和葉綠素含量測定等分析手段，研究了DHC分解代謝對蘋果抗生物脅迫的影響。根皮苷水解直接或間接影響對植食性害蟲雙斑紅蜘蛛的抗性，而三葉苷的氧化則參與對生物營養(yǎng)真菌Podosphaera leucotricha的抗性。DHC分解代謝不影響蘋果對壞死性病原體Valsa mali和Erwinia amylovara的抗性。這些結果表明，不同的DHC分解途徑在蘋果抵抗生物脅迫的過程中發(fā)揮著不同的作用。DHC分解代謝對蘋果抗性的作用似乎與病原體/害蟲采用的入侵/破壞模式密切相關。本研究中葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm的測量通過IMAGING-PAM葉綠素熒光成像系統(tǒng)完成。

Glucose-G protein signaling plays a crucial role in tomato resilience to high temperature and elevated CO2 (Plant Physiology,  IF=7.4)

全球氣候變化的兩個關鍵因素是二氧化碳（CO2）濃度升高和溫度上升。植物是地球生態(tài)系統(tǒng)的基礎，它們對上述兩個關鍵因素的響應和適應能力直接關系到地球生態(tài)平衡和人類生存。浙江大學農業(yè)與生物技術學院師愷教授課題組前期發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高可以在一定程度上減輕高溫對植物的脅迫效應，增強植物的抗逆能力，然而其潛在的分子機制尚不清楚。2024年3月6日，該課題組的最新研究成果在植物生物學領域知名期刊Plant Physiology上以Glucose-G protein signaling plays a crucial role in tomato resilience to high temperature and elevated CO2為題正式發(fā)表。該研究揭示了揭示了環(huán)境CO2濃度升高，誘發(fā)植物葡萄糖 (Glc)-RGS1 (Regulator of G protein signaling 1)-GPA1 (G protein α subunit) 信號激活，進一步通過光合作用和光保護途徑調控番茄高溫抗性的分子機制。
該研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度及高溫共同處理促進番茄葉片質外體Glc含量積累，外源Glc處理顯著增強番茄高溫抗性；高濃度Glc特異性結合番茄RGS1蛋白并誘導其胞吞，從而削弱RGS1-GPA1蛋白互作強度，激活G蛋白信號。構建rgs1和gpa1突變體，發(fā)現(xiàn)RGS1響應CO2-Glc濃度變化負調控番茄高溫抗性，而GPA1傳導Glc信號，進一步通過影響光合作用和光保護途徑中葉綠素a/b結合蛋白、光系統(tǒng)PSΙ/II反應中心亞基、以及RuBP羧化酶小亞基等基因的表達，正調控番茄高溫抗性。
在之前的研究中，該課題組發(fā)現(xiàn)RGS1-G蛋白可以感知光強等環(huán)境變化，傳導Glc信號調控番茄對細菌性葉斑病的抗性。在此基礎上，本次發(fā)表的研究成果首次揭示了植物細胞膜上的RGS1-GPA1復合體響應高CO2濃度和高溫等環(huán)境變化引起的Glc信號，進一步通過影響下游光合作用及光保護途徑相關基因的表達，介導番茄的高溫抗性，為理解全球氣候變化下植物的適應性機制，以及設施蔬菜抗性增強的CO2施肥技術研發(fā)提供了科學依據(jù)。本研究中番茄葉片葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm的測量通過MAXI-IMAGING-PAM葉綠素熒光成像系統(tǒng)完成。光系統(tǒng)I光能轉換活性通過雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100完成。

Adaptive Evolution of Chloroplast Division Mechanisms during Plant Terrestrialization  (Cell Reports, IF=8.8)

葉綠體起源于藍細菌與真核宿主細胞的內共生作用，是綠色植物特有的重要細胞器，在光合作用等基本生命活動中發(fā)揮關鍵作用。在漫長演化歷程中，植物逐漸形成了調控葉綠體數(shù)量和大小的功能機制，以確保細胞內環(huán)境的穩(wěn)定，并在植物生長發(fā)育過程中提供其所需光合作用能力。盡管葉綠體分裂已經(jīng)得到廣泛研究，但其核心成員的起源和功能演化仍不清楚。2024年3月13日，上海交通大學農業(yè)與生物學院陳誠課題組在Cell Reports發(fā)表了題為“Adaptive Evolution of Chloroplast Division Mechanisms during Plant Terrestrialization”的研究論文，相關研究成果揭示了植物葉綠體分裂機制中少數(shù)起源于真核宿主細胞的分裂基因更多地參與到幫助植物適應登陸后復雜、多變環(huán)境生物學過程的適應性演化機制。
本研究利用最新公布的泛植物界物種的基因組和轉錄組數(shù)據(jù)，鑒定了不同物種中存在的葉綠體分裂核心成員，并重建了它們的演化史。將完整分裂環(huán)結構首次出現(xiàn)的時間點從以往僅限于維管植物，推前到水生植物輪藻中。區(qū)別于大多數(shù)功能機制的演化，葉綠體分裂是在植物登陸前（例如灰藻）就受到了環(huán)境的強烈選擇，基因的分散復制為此提供了適應性演化的主要動力。通過利用多組學數(shù)據(jù)（轉錄組、蛋白質組、轉錄調控、單細胞等）開發(fā)的基因功能注釋工具，進一步表明分散復制演化的葉綠體分裂基因獲得了更多物種特異性功能。結合遺傳和生理實驗，證明了由分散復制演化的葉綠體分裂重要成員PARC6在番茄中獲得了除葉綠體分裂功能之外調控植物生長發(fā)育的新功能。綜上，本研究為葉綠體分裂機制的演化提供了一個綜合視角，并強調了基因的分散復制作為葉綠體分裂適應性演化主要來源的潛力。本研究中葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm的測量通過IMAGING-PAM葉綠素熒光成像系統(tǒng)完成。
Uncovering the photosystem I assembly pathway in land plants (Nature Plants, IF=18.0)

光合作用通過光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II將太陽的光能轉化為化學能，為地球上幾乎所有的生命提供能量來源。在這兩個光系統(tǒng)中，光系統(tǒng)I(PSI)利用光能催化電子從類囊體膜內側的質體藍素或細胞色素c到外側鐵氧還蛋白的跨膜電子傳遞，其光化學量子產率接近100%，是自然界最高效的光能捕獲和轉化裝置。PSI是自然界中最大、最復雜的大分子組裝體之一，包含14個蛋白亞基和4個外周天線蛋白(LHCI)以及數(shù)百個輔助因子，它們共同形成了PSI-LHCI超級復合物。如此高效復雜的裝置是如何組裝形成的，一直是科學家們努力探索的問題。
2024年3月19日，國際權威植物學學術期刊Nature Plants在線發(fā)表了山東農業(yè)大學生命科學學院盧從明教授課題組標題為Uncovering the photosystem I assembly pathway in land plants的研究論文。該文章是光合作用功能調控分子機理研究團隊在光合作用光系統(tǒng)I生物發(fā)生研究領域取得的最新重要成果，研究解析了一個新的光系統(tǒng)I組裝因子PBF8在光系統(tǒng)I組裝過程中的調控作用，揭示了植物光系統(tǒng)I超級復合物組裝的主要途徑。對于這一發(fā)現(xiàn)，Nature Plants同步在線發(fā)表了成果概述，解讀陸地植物光系統(tǒng)I超級復合物組裝的分子機制。

盧從明教授團隊長期致力于PSI超級復合物組裝機制的研究。為揭開PSI超級復合物組裝之謎，他們通過光譜學方法篩選獲得了一系列擬南芥PSI生物發(fā)生功能缺陷突變體，pbf8（Photosystem I biogenesis factor 8）突變體就是其中之一。通過一系列分子、生化和遺傳研究，發(fā)現(xiàn)PBF8參與了PSI超級復合體的組裝。通過構建pbf8 PBF8-HA轉基因植株，利用HA標簽親和純化pbf8 PBF8-HA的類囊體膜組分，發(fā)現(xiàn)PBF8參與PSI超級組裝過程中兩個組裝中間體的形成，即PSI組裝中間體I和II，分別含有8個和9個PSI核心蛋白亞基。這一研究揭示了植物PSI超級復合物組裝的主要途徑。本研究中葉綠素熒光參數(shù)的測量通過便攜式葉綠素熒光儀PAM-2500完成，P700差示吸收和PSI光能轉換效率通過雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100完成。
A pgr5 suppressor screen uncovers two distinct suppression mechanisms and links cytochrome b6f complex stability to PGR5 (The Plant Cell, IF=11.6)

植物在自然條件下每天經(jīng)歷著由于云層遮擋或樹冠陰影而導致的光照強度持續(xù)變化。在低光條件下，需要最大限度地吸收光能并利用能量來滿足光合作用的代謝需求。然而，過量的光又可能會導致有害的活性氧自由基(ROS)的產生，并對光合器官造成不可逆轉的損傷，或引發(fā)光抑制。因此，植物如何適應光照波動是光合生物為最大限度地提高光能利用效率，同時最小化過剩光能可能引起損害的關鍵屬性和適應性表現(xiàn)。

已有大量研究結果表明，PROTON GRADIENT REGULATION5(PGR5)被認為能促進循環(huán)電子流，其缺乏會損害光合控制并增加光系統(tǒng)(PS)I的光敏性，從而導致波動光照下的幼苗死亡。2024年3月27日，慕尼黑大學生物學院植物生物學Dario Leister教授課題組在植物生物學領域知名期刊The Plant Cell發(fā)表題為A pgr5 suppressor screen uncovers two distinct suppression mechanisms and links cytochrome b6f complex stability to PGR5的研究論文。在該研究中，Jan-Ferdinand Penzler等人通過篩選擬南芥(Arabidopsis thaliana)的抑制突變，發(fā)現(xiàn)了12個不同基因的突變組合，這些突變能挽救pgr5植物在波動光照下的幼苗致死性。
研究發(fā)現(xiàn)，這些突變影響了PSII功能、Cytb6f組裝、質體藍素積累、CHLOROPLAST FRUCTOSE-1,6-BISPHOSPHATASE1 (cFBP1)或其負調控因子 ATYPICAL CYS HIS-RICH THIOREDOXIN2 (ACHT2)。突變體的特征表明，在大多數(shù)情況下，生命力的恢復可以用PSI供體側限制的恢復來解釋，這種限制是由于 PSII、Cytb6f或質體藍素的缺陷導致流向PSI的電子流減少造成的。cFBP1或其負性調節(jié)因子ACHT2失活會導致NADH脫氫酶樣復合物水平升高。這種活性的增加可能是在波動的光照條件下抑制pgr5表型的原因。同時缺乏PGR5和去乙�；�誘導蛋白1(DEIP1)/新微粒ALBINO1 (NTA1)（以前認為它們對細胞色素b6f的組裝至關重要）的植物可以存活并積累Cytb6f。研究人員認為PGR5可對Cytb6f復合物產生負面影響，而DEIP1/NTA1可改善這種負面影響。本研究中，葉綠素熒光及P700差示吸收參數(shù)的測量通過雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100完成。擬南芥幼苗的葉綠素熒光成像通過蜂巢矩陣葉綠素熒光成像系統(tǒng)HEAXGON-IMAGING-PAM完成。
The thylakoid proton antiporter KEA3 regulates photosynthesis in response to the chloroplast energy status (Nature Communications, IF=16.6)

植物光合作用包含兩個基本步驟，即類囊體膜上的光驅動反應和葉綠體基質中的固碳反應。在自然界中，光合作用所需的光照經(jīng)常會發(fā)生巨大而快速的波動。要高效、高產地利用這種多變的光照供應，就需要這兩個基本步驟進行即時串聯(lián)和快速同步。2024年3月30日，德國馬克斯·普朗克分子植物生理學研究所Ute Armbruster教授課題組在國際知名綜合類期刊Nature Communications上發(fā)表題為The thylakoid proton antiporter KEA3 regulates photosynthesis in response to the chloroplast energy status的研究論文。
研究發(fā)現(xiàn)光合作用光反應和固碳反應的這種交流涉及到暴露在基質上的類囊體K+交換反轉運體KEA3的C端，它可以調節(jié)類囊體膜上的ΔpH，從而實現(xiàn)pH依賴性光保護。通過結合生物信息學、體外和體內方法，Michał Uflewski等人證明 KEA3的C端以pH依賴性方式感知葉綠體的能量狀態(tài)，并調節(jié)運輸活性。相關的數(shù)據(jù)共同確定了一個調控反饋回路，基質能量狀態(tài)通過KEA3的多級調控來協(xié)調光捕獲和光保護。
附錄：參考文獻及其他高分文章
1. Zhao, Q., et al. (2024). "Identification of two key genes involved in flavonoid catabolism and their different roles in apple resistance to biotic stresses." New Phytologist n/a(n/a).
2. Wang, J., et al. (2024). "Glucose-G protein signaling plays a crucial role in tomato resilience to high temperature and elevated CO2." Plant Physiology.
3. Liu, M., et al. (2024). "Adaptive evolution of chloroplast division mechanisms during plant terrestrialization." Cell reports 43(3).
4. Zhang, A., et al. (2024). "Uncovering the photosystem I assembly pathway in land plants." Nature Plants.
5. Penzler, J.-F., et al. (2024). "A pgr5 suppressor screen uncovers two distinct suppression mechanisms and links cytochrome b6f complex stability to PGR5." The Plant Cell.
6. Uflewski, M., et al. (2024). "The thylakoid proton antiporter KEA3 regulates photosynthesis in response to the chloroplast energy status." Nature communications 15(1): 2792.
7. Arteaga, J. F. M., et al. (2024). "Removal of toxic metals from sewage sludge by EDTA and hydrodynamic cavitation and use of the sludge as fertilizer." Science of The Total Environment: 171444.
8. Kim, M., et al. (2024). "Photoautotrophic cultivation of a Chlamydomonas reinhardtii mutant with zeaxanthin as the sole xanthophyll." Biotechnology for Biofuels and Bioproducts 17(1): 41.
9. Nigishi, M., et al. (2024). "Low-CO2-inducible bestrophins outside the pyrenoid sustain high photosynthetic efficacy in diatoms." Plant Physiology.
10. Niu, Y., et al. (2024). "Dynamics and interplay of photosynthetic regulatory processes depend on the amplitudes of oscillating light." Plant, Cell & Environment n/a(n/a).
11. Su, Y., et al. (2024). "Rhodopseudomonas palustris shapes bacterial community, reduces Cd bioavailability in Cd contaminated flooding paddy soil, and improves rice performance." Science of The Total Environment: 171824.
12. Yang, W., et al. (2024). "HSP70A promotes the photosynthetic activity of marine diatom Phaeodactylum tricornutum under high temperature." The Plant Journal n/a(n/a).
13. Zhang, D., et al. (2024). "Brassinolide as potential rescue agent for Pinellia ternata grown under microplastic condition: Insights into their modulatory role on photosynthesis, redox homeostasis, and AsA-GSH cycling." Journal of hazardous materials 470: 134116.
14. Zhang, Z., et al. (2024). "Mechanistic insight into the impact of polystyrene microparticle on submerged plant during asexual propagules germination to seedling: Internalization in functional organs and alterations of physiological phenotypes." Journal of hazardous materials: 133929.
15. Zhao, L.-S., et al. (2024). "Architecture of symbiotic dinoflagellate photosystem I–light-harvesting supercomplex in Symbiodinium." Nature communications 15(1): 2392.

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