葉綠素?zé)晒鈨x和光合儀高分應(yīng)用文章集錦（2024年7月）

本文我們將回顧一下7月份德國WALZ調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x參與發(fā)表的11篇高分文章，其中The Innovation、Journal of Nanobiotechnology、Water Research、Science Advances、Nature Communications 各1篇, The Plant Cell、The Plant Journal 、New Phytologist 各2篇。研究對(duì)象包含苔蘚、茶樹、濕地植物、藍(lán)藻、硅藻、擬南芥、苜蓿、柑橘、狗尾草等。德國WALZ制造的PAM調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x及光合儀設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，運(yùn)行穩(wěn)定，功能完善，操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，國際學(xué)術(shù)界認(rèn)可度高，在國際植物學(xué)研究領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先~
1. The extremotolerant desert moss Syntrichia caninervis is a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments (The Innovation, IF=33.2)

在探索宇宙的征途中，人類對(duì)于在其他星球建立定居點(diǎn)的構(gòu)想愈發(fā)具體。這些宏偉計(jì)劃往往聚焦于如何使農(nóng)作物適應(yīng)受控的人工環(huán)境，以確保食物供應(yīng)的自給自足。然而，除了人工環(huán)境，我們同樣需要考慮如何在火星等外星環(huán)境的惡劣土壤中培育出能夠茁壯生長(zhǎng)的先鋒植物。中科院新疆生地所研究員張道遠(yuǎn)和張?jiān)�明團(tuán)隊(duì)聚焦于沙漠苔蘚——齒肋赤蘚（Syntrichia caninervis），揭示齒肋赤蘚的生存極限與適應(yīng)策略。研究發(fā)現(xiàn)，齒肋赤蘚能夠耐受自身98%以上的細(xì)胞脫水、-196℃超低溫速凍、5000 Gy以上伽馬射線輻射而不死，且在火星模擬條件下仍可以存活并再生出新的植株。這一成果刷新了極端生命體對(duì)環(huán)境的“耐受”紀(jì)錄。相關(guān)成果于7月1日以封面文章的形式發(fā)表在The Innovation，標(biāo)題為The extremotolerant desert moss Syntrichia caninervis is a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)著眼于齒肋赤蘚，探索它在模擬火星環(huán)境中的生存和恢復(fù)能力。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，齒肋赤蘚不僅能在極度干燥和低溫環(huán)境中保持生命力，還能在強(qiáng)輻射和低氧環(huán)境中展現(xiàn)出驚人的適應(yīng)能力。這些特性使得荒漠蘚成為未來火星綠化和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的理想候選植物。撰寫這篇論文的過程中，研究人員通過科學(xué)研究和翔實(shí)數(shù)據(jù)，探明了齒肋赤蘚在極端環(huán)境下的生存能力，為火星定殖及生態(tài)重建提供一種可行的植物選擇。更重要的是，研究人員希望通過這項(xiàng)研究，激發(fā)更多科學(xué)家關(guān)注和探索地球上極端環(huán)境中的生物，尋找更多具有潛在應(yīng)用價(jià)值的生命體，從而推動(dòng)人類在太空探索和宜居星球方面取得更大的突破。這是一項(xiàng)跨越星際的科學(xué)探索，更是將科學(xué)與夢(mèng)想相結(jié)合，創(chuàng)造未來地外理想新家園的嘗試。本研究中苔蘚在極端環(huán)境下光合生理活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈪��?shù)測(cè)量通過便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500完成。

2. Zno nanoparticles: improving photosynthesis, shoot development, and phyllosphere microbiome composition in tea plants (Journal of Nanobiotechnology,  IF=10.6)

納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有革命性的潛力，氧化鋅納米顆粒(ZnO NPs)在促進(jìn)作物生長(zhǎng)方面顯示出優(yōu)勢(shì)。光合作用效率的提高與茶樹活力和品質(zhì)的提高密切相關(guān)，與葉際微生物維持植株健康也有關(guān)。然而，ZnO NPs對(duì)茶樹光合作用、新梢萌發(fā)和葉際微生物群落的影響還沒有得到充分的研究。7月2日，Journal of Nanobiotechnology在線發(fā)表了青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院范凱老師課題組題為Zno nanoparticles: improving photosynthesis, shoot development, and phyllosphere microbiome composition in tea plants的研究論文。文章揭示了ZnO NPs對(duì)茶樹光合作用和新梢發(fā)育的積極影響，并且對(duì)茶樹葉際附生微生物群落和葉際內(nèi)生微生物群落起到了一定的改善作用。

該研究通過對(duì)ZnO NPs處理后的茶樹光合生理參數(shù)和新梢萌發(fā)率進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)ZnO NPs能提高茶樹的光合速率并對(duì)茶芽發(fā)育起到了促進(jìn)作用。基于上述發(fā)現(xiàn)，該研究進(jìn)一步表明在ZnO NPs的影響下，茶樹葉片中的RubisCO等關(guān)鍵光合酶含量和葉綠素含量顯著增加，對(duì)葉綠素?zé)晒鈪��?shù)也起到了一定的改善作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在ZnO NPs的影響下，Photosynthesis - antenna proteins通路中有顯著性差異的基因全部上調(diào)表達(dá)，上調(diào)的基因中主要調(diào)控的是LHC（Lhca2、Lhca4、Lhca5、Lhcb1、Lhcb2、Lhcb3和Lhcb6）家族。有趣的是，與光合作用息息相關(guān)的Starch and sucrose metabolism通路中Sucrose、D-Glucose-6P、D-Fructose-6P、D-Glucose-6P等差異代謝物含量均顯著提高。WGCNA和O2PLS分析也驗(yàn)證了上述結(jié)論。與此同時(shí)，在兩種濃度ZnO NPs影響下，內(nèi)源生長(zhǎng)素含量均顯著提高，這些可能是促進(jìn)茶樹新梢發(fā)育的內(nèi)在動(dòng)力。該研究還發(fā)現(xiàn)ZnO NPs會(huì)對(duì)茶樹葉片和新梢中的礦質(zhì)元素含量造成一定的影響，葉片中鋅元素、鉬元素、銅元素含量顯著增加；新梢中的鋅元素含量并沒有增加，但在較低濃度下，對(duì)人體有益的硒元素和鐵元素含量顯著增加。與此同時(shí)，該研究還發(fā)現(xiàn)ZnO NPs的使用對(duì)茶樹葉際附生微生物和內(nèi)生微生物的群落結(jié)構(gòu)具有改善作用，許多有益微生物成為優(yōu)勢(shì)種群并且對(duì)有潛在致病性的植物病原菌有一定的抑制作用，這可能與ZnO NPs的殺菌特性有關(guān)。例如，使用ZnO NPs后，附生芽孢桿菌成為優(yōu)勢(shì)種群。芽孢桿菌是一種有益的葉際微生物，通過多種機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)和光合作用，同時(shí)還有促進(jìn)植物抵御非生物脅迫的作用。

該研究為ZnO NPs改善茶樹生長(zhǎng)提供新的見解。這些發(fā)現(xiàn)為ZnO NPs在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用提供了新的科學(xué)依據(jù)，有助于推動(dòng)納米生物技術(shù)在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面的研究。本研究中茶樹葉片光合生理活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈪��?shù)，如Fv/Fm，ETR，qP，Y(Ⅱ)的測(cè)量通過葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)IMAGING-PAM完成。

3. Biotic/Abiotic Transformation Mechanisms of Phenanthrene in Iron-rich Constructed Wetland under Redox Fluctuation (Water Research, IF=11.4)

富鐵基質(zhì)人工濕地(constructed wetlands, CWs)由于成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于再生水回用領(lǐng)域，它可通過生物和非生物途徑實(shí)現(xiàn)微量有機(jī)污染物的高效去除。不幸的是，對(duì)于富鐵基質(zhì)CW中促進(jìn)羥基自由基（•OH）形成和確保多環(huán)芳烴（PAHs）安全轉(zhuǎn)化的必需活性鐵種類，特別是在長(zhǎng)期運(yùn)行的CWs中，仍然存在研究空白。此外，富鐵基質(zhì)CW實(shí)現(xiàn)PAHs安全轉(zhuǎn)化的生物和非生物途徑之間的耦合關(guān)聯(lián)和機(jī)制仍然是一個(gè)研究空白。7月2日，Water Research在線發(fā)表山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院胡振教授課題組題為Biotic/Abiotic Transformation Mechanisms of Phenanthrene in Iron-rich Constructed Wetland under Redox Fluctuation的研究論文。文章對(duì)富鐵基質(zhì)CW在不同氧化還原條件下對(duì)菲（Phenanthrene）轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行了探索。利用Mössbauer光譜分析技術(shù)闡明了參與•OH生成的關(guān)鍵活性鐵物種，利用宏基因組學(xué)技術(shù)闡明了菲在富鐵CW中的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制。最后，通過冗余分析（RDA）和偏最小二乘路徑建模（PLS-PM）揭示了生物/非生物轉(zhuǎn)化機(jī)制對(duì)菲轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。

在本研究中，研究人員構(gòu)建三個(gè)CW（即CW-A: 對(duì)照；CW-B:富鐵基質(zhì)CW；CW-C:富鐵基質(zhì)CW + 潮汐流），通過Mössbauer光譜和宏基因組學(xué)研究菲的轉(zhuǎn)化機(jī)制。結(jié)果表明，通過優(yōu)化的降解途徑，CW-C實(shí)現(xiàn)了最高的菲去除率（94.0%）和發(fā)光細(xì)菌毒性降低率（92.1%），實(shí)現(xiàn)了菲的安全轉(zhuǎn)化。表面結(jié)合/低結(jié)晶態(tài)鐵主要調(diào)節(jié)•OH的產(chǎn)生，而CW-C中實(shí)現(xiàn)了表面結(jié)合/低結(jié)晶態(tài)鐵的高效利用，提高了電子傳遞能力。電子傳遞能力的增強(qiáng)也導(dǎo)致CW-C中多環(huán)芳烴降解微生物和關(guān)鍵物種的富集。此外，在CW-C中，菲轉(zhuǎn)化酶（如EC:1.14.12.-）和三羧酸循環(huán)酶（如EC:2.3.3.1）的豐度均上調(diào)。進(jìn)一步分析表明，菲的安全轉(zhuǎn)化主要是由于非生物和生物機(jī)制在CW-C中的協(xié)同作用，兩者的作用相似。相關(guān)的研究揭示了活性鐵在菲的安全轉(zhuǎn)化中的重要作用，為富鐵基質(zhì)CW提高污染物去除性能提供了新見解。本研究中，人工濕地植物光合活性相關(guān)的最大光化學(xué)效率通過基礎(chǔ)款調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xJUNIOR-PAM測(cè)量完成。

4. A global transcriptional activator involved in the iron homeostasis in cyanobacteria (Science Advances, IF=11.7)
海洋缺鐵限制了全球約三分之一海域的初級(jí)生產(chǎn)力，是藍(lán)藻等海洋初級(jí)生產(chǎn)者面臨的重要挑戰(zhàn)。藍(lán)藻作為地球上最古老的光合放氧微生物，廣泛分布于寡營(yíng)養(yǎng)的缺鐵海域，其高效而獨(dú)特的缺鐵適應(yīng)機(jī)制備受關(guān)注。目前，關(guān)于藍(lán)藻缺鐵的生理響應(yīng)和鐵吸收機(jī)制已有較多研究，然而藍(lán)藻響應(yīng)缺鐵的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制尚不清楚。其中，全局性轉(zhuǎn)錄抑制因子FurA作為調(diào)控藍(lán)藻缺鐵信號(hào)的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子，在鐵量充足時(shí)與鐵結(jié)合，抑制鐵吸收基因轉(zhuǎn)錄；鐵缺乏時(shí)，則與鐵解離，解除抑制，允許這些基因轉(zhuǎn)錄。但其解除抑制后，是否還需其他轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)鐵吸收基因表達(dá)尚不清楚。2024年7月3日，Science Advances在線發(fā)表了寧波大學(xué)海洋學(xué)院姜海波教授團(tuán)隊(duì)題為“A global transcriptional activator involved in the iron homeostasis in cyanobacteria”的研究論文。文章揭示了一個(gè)全局性轉(zhuǎn)錄激活因子參與藍(lán)藻鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制。該研究在模式藍(lán)藻集胞藻PCC6803中，利用Hi-C和RNA-seq鑒定了一個(gè)新的全局性轉(zhuǎn)錄激活因子IutR（Iron Uptake–related Transcriptional Regulator），并且通過EMSA、酵母單雜和ChIP-seq等實(shí)驗(yàn)，確證IutR可以結(jié)合到與鐵吸收相關(guān)的基因啟動(dòng)子上，不僅調(diào)控鐵吸收過程，還參與調(diào)控許多其他與細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)有關(guān)的生理過程。該研究表明，藍(lán)藻的缺鐵信號(hào)響應(yīng)不僅依賴于FurA轉(zhuǎn)錄抑制的解除，更依賴于IutR的轉(zhuǎn)錄激活。
研究團(tuán)隊(duì)利用Hi-C分析集胞藻在鐵充足和缺鐵條件下的三維基因組結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)基因互作頻率發(fā)生顯著變化。缺鐵條件下，集胞藻基因組上0.1M區(qū)域的互作強(qiáng)度明顯增加；CID邊界發(fā)生調(diào)整，影響眾多參與細(xì)胞代謝、細(xì)胞通訊、離子結(jié)合及受體活性等功能的基因。為了深入分析三維染色體結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)在不同鐵水平下的關(guān)聯(lián)，該研究進(jìn)一步結(jié)合缺鐵條件下的轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，上述互作頻率顯著增強(qiáng)的0.1M區(qū)域是藍(lán)藻缺鐵響應(yīng)基因分布密集區(qū)，包括IutR在內(nèi)的眾多基因分布于該區(qū)域，并且均在缺鐵時(shí)顯著上調(diào)表達(dá)，預(yù)示著這些基因很可能參與藍(lán)藻的缺鐵適應(yīng)過程。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)三個(gè)同源iutR基因的單敲除和組合三敲除，發(fā)現(xiàn)組合三敲除的藻株對(duì)缺鐵條件極為敏感，多個(gè)生理表型在缺鐵條件下與野生型表現(xiàn)出顯著差異，但在鐵充足時(shí)與野生型沒有差別，將IutR重新回補(bǔ)到突變株中可以恢復(fù)至野生型的生理表型，表明IutR的缺失突變是藍(lán)藻缺鐵敏感的主要原因。與此同時(shí)，qRT-PCR結(jié)果表明，突變株中鐵吸收相關(guān)基因喪失了受缺鐵誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)的能力，說明突變株的缺鐵信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程受到嚴(yán)重影響。隨后，該研究利用轉(zhuǎn)錄因子和DNA互作實(shí)驗(yàn)（EMSA和酵母單雜交）證明，IutR蛋白能夠結(jié)合并調(diào)控包括TonB依賴性鐵轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)鐵吸收相關(guān)基因啟動(dòng)子序列。通過ChIP-seq實(shí)驗(yàn)，研究不僅鑒定了IutR結(jié)合的DNA序列特征，還預(yù)測(cè)了全基因組中IutR可能調(diào)控的靶基因，包括Fe³⁺吸收轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白FutABC、Fec家族、isiB、ftr1及FurA等。此外，RT-qPCR和EMSA實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)了所預(yù)測(cè)的啟動(dòng)子序列可以被IutR蛋白結(jié)合，并且這些基因的轉(zhuǎn)錄水平受到IutR的顯著調(diào)控。

該研究較深入地揭示了藍(lán)藻復(fù)雜的缺鐵信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為理解藍(lán)藻適應(yīng)缺鐵環(huán)境并調(diào)控胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的內(nèi)在機(jī)制提供了新視角：在環(huán)境鐵濃度充足時(shí)， FurA與Fe²⁺結(jié)合并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制功能，鐵吸收相關(guān)基因不表達(dá)或低表達(dá)；當(dāng)細(xì)胞處于缺鐵環(huán)境時(shí)，Fe²⁺與FurA解離，F(xiàn)urA的轉(zhuǎn)錄抑制功能被解除；此時(shí)轉(zhuǎn)錄激活因子IutR被激活，它進(jìn)一步結(jié)合到鐵吸收相關(guān)基因的啟動(dòng)子上，激活細(xì)胞鐵吸收以及低鐵適應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，以應(yīng)對(duì)低鐵環(huán)境。本研究中，藻類光合電子傳遞速率通過藻類熒光儀WATER-PAM測(cè)量。

5. A rapid aureochrome opto-switch enables diatom acclimation to dynamic light (Nature Communications, IF=14.7)

在地球上，光合作用的藻類是海洋生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的一部分，尤其是數(shù)量眾多、主要分布在近海區(qū)域的硅藻，它們貢獻(xiàn)了全球約20%的初級(jí)生產(chǎn)力。硅藻不僅作為重要的碳匯，還是多種高價(jià)值營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑的來源，例如巖藻黃素。因此，深入理解硅藻生態(tài)成功背后的分子機(jī)制，對(duì)于生物地球化學(xué)循環(huán)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有深遠(yuǎn)的意義。硅藻擁有獨(dú)特的光合作用特性，能夠高效捕獲水下常見的藍(lán)綠光。若能將這一特性應(yīng)用于作物，將有助于填補(bǔ)光譜利用中的"綠色缺口"。然而，硅藻在近海環(huán)境中經(jīng)常面臨光照強(qiáng)度的劇烈變化，這對(duì)其光合作用系統(tǒng)可能構(gòu)成損害。目前，硅藻如何適應(yīng)這種環(huán)境壓力的具體調(diào)節(jié)因子和機(jī)制尚不完全清楚。

光合作用中的非光化學(xué)淬滅（NPQ）是一種廣泛保守的防止光損傷的策略，涉及將過剩光能轉(zhuǎn)化為熱能。其中，能量依賴性淬滅（qE）是光合真核生物NPQ的短期組分，涉及去氧化黃酮素類胡蘿卜素和效應(yīng)蛋白的協(xié)同作用。值得注意的是，最初在綠藻中發(fā)現(xiàn)的LI818蛋白在親緣關(guān)系較近的維管植物中不存在，而在關(guān)系較遠(yuǎn)的硅藻中卻存在，它們?cè)诠柙逯斜环Q為L(zhǎng)HCX蛋白。海岸硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的基因組中編碼了多種光感受器，其中包括感知藍(lán)光的aureochrome家族成員AUREO1a、AUREO1b和AUREO1c。這些aureochromes含有光-氧-電壓（LOV）結(jié)構(gòu)域和bZIP轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)域，能夠介導(dǎo)光誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。2024年7月3日，Nature Communications在線發(fā)表了西湖大學(xué)李小波教授團(tuán)隊(duì)題為A rapid aureochrome opto-switch enables diatom acclimation to dynamic light的研究論文。文章通過結(jié)合CRISPR/Cas9、生化、細(xì)胞生物學(xué)和多組學(xué)方法，揭示了硅藻中的藍(lán)光感受器AUREO1c是強(qiáng)光下光保護(hù)和光合作用相關(guān)基因的重要且特異性調(diào)控因子。

首先，研究人員通過CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)AUREO1a、AUREO1b和AUREO1c進(jìn)行了突變，并選擇了每個(gè)基因的三個(gè)突變體進(jìn)行進(jìn)一步的表征。在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下（growth light, GL）生長(zhǎng)時(shí)，所有突變體在外觀和生理參數(shù)上都與野生型相似。在極高光照（very high light, VHL）條件下，aureo1c-1細(xì)胞出現(xiàn)漂白現(xiàn)象，而aureo1a-1和aureo1b-1突變體則沒有。而在較低光照強(qiáng)度下，aureo1c突變體的Fv/Fm比和NPQ都較低。在aureo1c-1突變體背景的互補(bǔ)株（COMP）中，表達(dá)了AUREO1c-GFP融合蛋白，而LHCX2/3表達(dá)、NPQ和Fv/Fm比也得以恢復(fù)，并顯示出對(duì)極高光照的耐受性。由此得出結(jié)論，AUREO1c是P. tricornutum在遭受高光照射后，NPQ響應(yīng)和存活所必需的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。研究還發(fā)現(xiàn)，AUREO1c的定位并不受光照水平的影響，但其構(gòu)象可能會(huì)發(fā)生變化。為了了解AUREO1c是否與藍(lán)光信號(hào)相關(guān)，該研究比較了aureo1c-1突變體和野生型細(xì)胞在不同光照條件下的轉(zhuǎn)錄組，包括生長(zhǎng)光（GL）、高白光（HWL）、高紅光（HRL）和高藍(lán)光（HBL）。結(jié)果顯示，AUREO1c在高藍(lán)光下是一個(gè)位于細(xì)胞核的傳感器。

進(jìn)一步研究表明，AUREO1c蛋白利用LOV結(jié)構(gòu)域探測(cè)光照壓力，并通過其bZIP DNA結(jié)合域直接激活靶基因（包括編碼NPQ效應(yīng)蛋白的LI818基因）的表達(dá)。與在淡水綠藻——萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中報(bào)告的激酶介導(dǎo)的途徑相比，AUREO1c途徑展現(xiàn)出了更快的響應(yīng)速度，并能夠在連續(xù)高光照和波動(dòng)光照處理下，使LI818的轉(zhuǎn)錄本和蛋白水平累積到相當(dāng)?shù)某潭取?/span>

綜上所述，該研究揭示了藍(lán)光感受器PtAUREO1c是強(qiáng)光下光保護(hù)和光合作用相關(guān)基因的重要且特異性調(diào)控因子。在不同的光照強(qiáng)度下，PtAUREO1c感知藍(lán)光并即時(shí)激活兩個(gè)LHCX基因的轉(zhuǎn)錄，這個(gè)途徑在硅藻適應(yīng)長(zhǎng)期高光和快速波動(dòng)光環(huán)境中非常重要。硅藻的光保護(hù)機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的過程，這項(xiàng)研究為我們提供了深入理解這一機(jī)制的機(jī)會(huì)，并為未來的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。隨著對(duì)這些機(jī)制的進(jìn)一步研究，我們有望開發(fā)出新的策略來提高作物的光能利用效率和環(huán)境適應(yīng)性。本研究中藻類光合生理活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)通過葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)IMAGING-PAM和雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-PAM-100完成。

6. RESISTANCE TO PHYTOPHTHORA1 promotes cytochrome b₅₅₉ formation during early photosystem II biogenesis in Arabidopsis (The Plant Cell, IF=10.0)

作為所有含氧光合生物光系統(tǒng)II(PSII)的核心組成部分，細(xì)胞色素b₅₅₉(Cyt b₅₅₉)在PSII的保護(hù)和組裝過程中扮演著至關(guān)重要的角色，但是Cyt b₅₅₉的組裝機(jī)制尚未完全明了。2024年7月4日，The Plant Cell在線發(fā)表上海師范大學(xué)彭連偉教授課題組題為RESISTANCE TO PHYTOPHTHORA1 promotes cytochrome b₅₅₉ formation during early photosystem II biogenesis in Arabidopsis的研究文章。

本研究深入探討了擬南芥(Arabidopsis thaliana)中的rph1突變體。研究發(fā)現(xiàn)，RPH1基因的缺失導(dǎo)致PSII的積累顯著減少，這一現(xiàn)象主要?dú)w因于Cyt b₅₅₉的合成缺陷。通過光譜分析，研究人員觀察到從rph1突變體中分離出的PSII超級(jí)復(fù)合物中血紅素的含量明顯降低，這表明RPH1在Cyt b₅₅₉中血紅素的正常組裝過程中發(fā)揮著促進(jìn)作用。
此外，rph1突變體在光抑制條件下表現(xiàn)出對(duì)光的高度敏感性，并在這些條件下積累了較高水平的活性氧（ROS）。RPH1是一種在綠藻和陸生植物中廣泛存在的保守類囊體蛋白，但在藍(lán)藻Synechocystis中并未發(fā)現(xiàn)其存在。RPH1直接與Cyt b₅₅₉的亞基相互作用，表明其在葉綠體中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，相關(guān)的研究結(jié)果表明，RPH1是一種專門促進(jìn)Cyt b₅₅₉有效組裝的葉綠體獲取物，可能通過在PSII生物合成的早期階段介導(dǎo)血紅素的正確插入到apo-Cyt b₅₅₉中實(shí)現(xiàn)其功能。本研究中，擬南芥光合生理活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)通過葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)IMAGING-PAM和便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500完成。

7. A cargo sorting receptor mediates chloroplast protein trafficking through the secretory pathway (The Plant Cell, IF=10.0)

細(xì)胞核編碼的葉綠體蛋白通過一種尚未完全明了的分子機(jī)制在細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)室間進(jìn)行運(yùn)輸。傳統(tǒng)上，人們并未在分泌途徑中識(shí)別出負(fù)責(zé)貨物分選的特定受體。2024年7月4日，The Plant Cell在線發(fā)表中國農(nóng)業(yè)大學(xué)董江麗教授課題組題為A cargo sorting receptor mediates chloroplast protein trafficking through the secretory pathway的研究文章。文章的最新研究揭示了一種特殊的貨物分選受體（cargo sorting receptor），它在病毒植物中具有特異性，并在將貨物蛋白定向到葉綠體的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

通過正向遺傳學(xué)方法，研究人員在蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中鑒定了一個(gè)基因，該基因編碼一種跨膜蛋白，命名為MtTP930。MtTP930基因的突變導(dǎo)致葉綠體功能下降和植株生長(zhǎng)受限。MtTP930在植物的地上部分表達(dá)量較高，并且定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口位點(diǎn)（ERES）和高爾基體。它含有典型的貨物分選受體結(jié)構(gòu)域，能夠與Sar1、Sec12和Sec24等蛋白相互作用，參與COPII囊泡的運(yùn)輸過程。

尤為關(guān)鍵的是，MtTP930能夠識(shí)別內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的特定貨物蛋白，包括N-糖基化核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶（MtNPP）和α-碳酸酐酶（MtCAH），并通過分泌途徑將這些蛋白有效地運(yùn)輸?shù)饺~綠體。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，MtTP930的同源基因發(fā)生突變也會(huì)導(dǎo)致類似的矮小表型。此外，當(dāng)MtNPP-GFP在Attp930突變體的原生質(zhì)體中表達(dá)時(shí)，未能成功定位到葉綠體，這表明這些貨物分選受體在植物中具有保守性。

這些突破性的發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了我們對(duì)葉綠體蛋白在分泌途徑中的分選和運(yùn)輸機(jī)制的理解，而且為進(jìn)一步探索植物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜性提供了新的視角。本研究中，苜蓿光合生理活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)通過超便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xMINI-PAM-II測(cè)量獲得，擬南芥野生型和突變體的表型通過葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)IMAGING-PAM測(cè)量完成。

8. The transcription factor ERF110 promotes cold tolerance by directly regulating sugar and sterol biosynthesis in citrus (The Plant Journal, IF=6.2)

寒冷脅迫是影響植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)境因素。研究表明，乙烯響應(yīng)因子（ERFs）在植物應(yīng)對(duì)寒冷脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮重要作用。然而，大多數(shù)ERFs的調(diào)控機(jī)制及其靶基因尚未被充分揭示。2024年7月10日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉繼紅教授團(tuán)隊(duì)在The Plant Journal發(fā)表題為The transcription factor ERF110 promotes cold tolerance by directly regulating sugar and sterol biosynthesis in citrus的研究論文，該研究揭示了PtrERF110通過直接調(diào)控糖和固醇的生物合成增強(qiáng)了柑橘的抗寒性的分子機(jī)制。枳（Poncirus trifoliata (L.) Raf.）是柑橘上最常用的砧木，抗寒性較強(qiáng)，是研究低溫應(yīng)答的重要柑橘資源。本研究中，研究人員從枳中鑒定出一種受寒冷誘導(dǎo)的ERF，命名為PtrERF110。PtrERF110是一種具有轉(zhuǎn)錄激活活性的核蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，PtrERF110的過表達(dá)顯著增強(qiáng)了檸檬（Citrus limon）和煙草（Nicotiana tabacum）的耐寒性，而病毒誘導(dǎo)的基因沉默（virus induced gene silencing，VIGS）介導(dǎo)的PtrERF110敲低則大大削弱了耐寒性。RNA序列分析表明，PtrERF110過表達(dá)導(dǎo)致一系列應(yīng)激反應(yīng)基因的整體轉(zhuǎn)錄重編程。其中三個(gè)基因，包括PtrERD6L16（early responsive dehydration 6-like transporters）、PtrSPS4（sucrose phosphate synthase 4）和PtrUGT80B1（UDP-glucose: sterol glycosyltransferases 80B1），被證實(shí)為 PtrERF110 的直接靶標(biāo)。此外，與野生型植物相比，PtrERF110過表達(dá)植物始終表現(xiàn)出更高的糖和甾醇水平，而 VIGS植物則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。外源蔗糖供應(yīng)恢復(fù)了PtrERF110沉默植物的抗寒性。此外，PtrSPS4、PtrERD6L16和PtrUGT80B1的敲低顯著削弱了枳的抗寒性。

綜上所述，該研究結(jié)果表明PtrERF110 通過轉(zhuǎn)錄激活PtrERD6L16、PtrSPS4和PtrUGT80B1直接調(diào)節(jié)糖和甾醇的合成，從而正向調(diào)節(jié)抗寒性。本研究揭示的調(diào)控模塊 (ERF110-ERD6L16/SPS4/UGT80B1) 有助于我們了解植物在寒冷脅迫下糖和甾醇積累的分子機(jī)制。本研究中，柑橘植物葉片冷脅迫下光合生理活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)通過超葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)IMAGING-PAM測(cè)量完成。

9. Strong heterologous electron sink outcompetes alternative electron transport pathways in photosynthesis (The Plant Journal, IF=6.2)

含氧光合作用由水的光氧化作用驅(qū)動(dòng)，釋放出的電子最終用于產(chǎn)生光合還原劑 NADPH，以進(jìn)行碳固定和新陳代謝。可溶性電子載體蛋白鐵氧化還原蛋白（Fd）是光合作用的電子分布樞紐。然而，人們對(duì)決定 Fd 電子去向的因素仍然知之甚少。要了解光合生物如何平衡光反應(yīng)、碳固定和下游細(xì)胞新陳代謝以應(yīng)對(duì)不斷變化的環(huán)境條件，并合理利用光合微生物作為綠色細(xì)胞工廠進(jìn)行可持續(xù)生物生產(chǎn)，就必須闡明這一點(diǎn)。

圖注：在模式藍(lán)藻Synechocystis sp. PCC 6803中，光合電子傳遞鏈(PETC)與來自鐵氧還蛋白(Fd)的電子分布構(gòu)成了其光合作用的核心機(jī)制。

(a)PETC的簡(jiǎn)化模型。在藍(lán)藻的PETC中，光系統(tǒng)I和II(即PSI和PSII)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，與細(xì)胞色素b₆f復(fù)合體(Cyt b₆f)、質(zhì)藍(lán)素(Pc)、細(xì)胞色素c₆(在銅缺乏條件下表達(dá))以及鐵氧還蛋白(Fd)共同協(xié)作。線性電子傳遞(LET)的最終步驟涉及鐵氧還蛋白-NAD(P)H氧化還原酶(FNR)，它將NADP⁺還原為NADPH，后者隨后被卡爾文-本森-巴薩姆(CBB)循環(huán)和其他代謝途徑所利用。由此產(chǎn)生的質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(pmf)驅(qū)動(dòng)ATP的合成。此外，PSI周圍的循環(huán)電子傳遞(CET)由NADH脫氫酶樣復(fù)合體(NDH-1)介導(dǎo)。RTO細(xì)胞色素bd醌氧化酶(Cyd)和aa3型細(xì)胞色素c氧化酶(COX)負(fù)責(zé)將氧氣(O₂)還原為水。值得注意的是，在被子植物、紅藻和褐藻中，黃二鐵蛋白(FDPs)作為波動(dòng)光照下的關(guān)鍵光保護(hù)機(jī)制，已經(jīng)退化。

(b) Fd的電子分布。Fd_red作為多種途徑的電子供體，其中Flv1/3和Flv2/4異源構(gòu)象中的FDPs執(zhí)行類似Mehler反應(yīng)的功能，將O₂還原為水。由NDH-1介導(dǎo)的CET將電子從Fd重新輸送回PQ池。雙向氫酶(Hox)參與氫代謝，而硫氧還蛋白(Trx)調(diào)節(jié)系統(tǒng)則對(duì)CBB酶的光激活等進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。其他涉及Fd的途徑包括phycocyanobilin：ferredoxin氧化還原酶(PcyA)、ferredoxin依賴性谷氨酸合成酶(GlsF、GOGAT)、ferredoxin-亞硫酸鹽還原酶(Sir)、硝酸鹽還原酶(NarB)和亞硝酸鹽還原酶(NirA)。

(c) Synechocystis sp. PCC 6803表達(dá)NAD(P)H接受黃素依賴性氧化還原酶YqjM(Syn::YqjM)的基因。

2024年7月15日，The Plant Journal發(fā)表署名單位為芬蘭圖爾庫大學(xué)題為Strong heterologous electron sink outcompetes alternative electron transport pathways in photosynthesis的研究論文，文章應(yīng)用一系列最先進(jìn)的生物物理和生物化學(xué)技術(shù)，深入研究了表達(dá)烯還原酶異源基因 YqjM 的工程藍(lán)藻 Synechocystis sp. 這種重組酶利用光合作用產(chǎn)生的 NAD(P)H 將外源添加的底物催化還原成所需的產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)全細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化。通過將生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)與生物物理測(cè)量相結(jié)合，相關(guān)研究證明了強(qiáng)大的人工電子匯能夠競(jìng)爭(zhēng)天然電子閥、黃二鐵蛋白驅(qū)動(dòng)的梅勒樣反應(yīng)和循環(huán)電子傳遞。這些結(jié)果表明，鐵氧還蛋白-NAD(P)H-氧化還原酶是從還原鐵氧還蛋白中輸送光合電子的首選途徑，而細(xì)胞中的 NADPH/NADP⁺比率是協(xié)調(diào)光合電子通量的關(guān)鍵因素。這些見解對(duì)于了解光合電子傳遞的分子機(jī)制以及通過細(xì)胞源/匯平衡工程來利用光合作用進(jìn)行可持續(xù)生物生產(chǎn)至關(guān)重要。此外，我研究人員還得出結(jié)論，識(shí)別異源電子匯的生物能瓶頸是有針對(duì)性地設(shè)計(jì)光合生物轉(zhuǎn)化平臺(tái)的重要前提。本研究中藍(lán)藻光合生理活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒�，差示吸收�?shù)據(jù)通過雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-PAM-100完成；NADPH熒光則由雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-PAM-100的NADPH/9AA模塊完成；Pc, P700和Fd的氧化還原狀態(tài)數(shù)據(jù)通過四通道動(dòng)態(tài)LED陣列近紅外光譜儀DUAL-KLAS-NIR(DKN)測(cè)量完成；環(huán)式電子傳遞鏈的量化同樣由DKN系統(tǒng)完成。

10. Chloroplast NADH dehydrogenase-like complex-mediated cyclic electron flow is the main electron transport route in C₄ bundle sheath cells (New Phytologist, IF=8.3)

C₄植物通常具有卓越的光能、水分和氮素利用效率，這些特性使它們?cè)跍嘏瘹夂驐l件下比C₃植物具有更強(qiáng)的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。C₄循環(huán)作為一種高效的生化CO₂濃縮機(jī)制，在葉肉細(xì)胞和維管束鞘(BS)細(xì)胞間發(fā)揮作用。這一過程有效提升了BS細(xì)胞中的CO₂分壓，為核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)和卡爾文-本森-巴塞爾循環(huán)(C₃循環(huán))的其他酶提供了更為豐富的CO₂環(huán)境。在BS葉綠體中，蘋果酸的脫羧作用不僅釋放出CO₂，還促使NADP+還原為NADPH，并生成丙酮酸。丙酮酸隨后返回葉肉細(xì)胞，并在那里被再生為PEP，從而閉合C₄循環(huán)。將C₃植物改造以實(shí)現(xiàn)C₄光合作用，被認(rèn)為是提升作物產(chǎn)量的一種有希望的策略，這激發(fā)了人們嘗試將C₄光合作用途徑引入C₃植物水稻的努力。然而，由于我們對(duì)C₄光合作用分子機(jī)制的理解尚不完全，這些嘗試受到了一定程度的限制。在C₄植物中，電子傳遞反應(yīng)需要為每個(gè)固定的CO₂分子提供至少兩個(gè)額外的ATP分子，以滿足C₄循環(huán)運(yùn)作所需的PEP再生能量成本。即需要以 ATP 的形式輸入額外的能量。NADH脫氫酶樣復(fù)合體(NDH)在光系統(tǒng) I(PSI)周圍操作循環(huán)電子流(CEF)對(duì)C₄光合作用非常重要，但CEF和NDH對(duì)細(xì)胞級(jí)電子通量的貢獻(xiàn)仍然未知。2024年7月22日，New Phytologist在線發(fā)表澳大利亞國立大學(xué)Maria Ermakova等人標(biāo)題為Chloroplast NADH dehydrogenase-like complex-mediated cyclic electron flow is the main electron transport route in C₄ bundle sheath cells的研究文章，文章旨在識(shí)別能夠產(chǎn)生這些額外ATP的電子傳遞途徑。研究發(fā)現(xiàn)NDH介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞是C₄植物維管束鞘細(xì)胞中主要的電子傳遞途徑。

研究團(tuán)隊(duì)首先使用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在狗尾草(Setaria viridis)中創(chuàng)建了ndhO的突變體。這些狗尾草突變體具有缺乏功能性NDH的ndhO等位基因，并開發(fā)了量化BS和葉肉細(xì)胞中通過NDH的電子流的方法。相關(guān)結(jié)果表明，CEF占BS細(xì)胞中PSI還原電子的84%，其中大部分電子通過NDH傳遞，而葉肉細(xì)胞中該復(fù)合體對(duì)電子傳遞的貢獻(xiàn)微乎其微。缺乏NDH的植物葉片CO₂同化率和生長(zhǎng)速度下降，無法通過提供額外的CO₂來挽救。此外，NDH介導(dǎo)的CEF是BS葉綠體中主要的電子傳遞途徑，這凸顯了NDH在BS細(xì)胞中產(chǎn)生C₃循環(huán)固定CO₂所需的ATP方面的重要作用。

總之，該研究為理解C₄光合作用的分子機(jī)制提供了重要見解，并為將C₄光合作用引入C₃植物以提高作物生產(chǎn)力提供了潛在的策略。本研究中，分離出來的維管束鞘細(xì)胞的P700測(cè)量由PAM-101完成，葉綠素?zé)晒夂蚉700差示吸收光譜通過雙通道熒光儀DUAL-PAM-100完成，跨類囊體膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)則通過P515/535模塊完成。

11. Mitochondrial respiration is essential for photosynthesis - dependent ATP supply of the plant cytosol (New Phytologist, IF=8.3)

2024年7月28日，New Phytologist發(fā)表了意大利帕多瓦大學(xué)Tomas Morosinotto等人題為“Mitochondrial respiration is essential for photosynthesis - dependent ATP supply of the plant cytosol”的研究文章，報(bào)道了關(guān)于線粒體呼吸對(duì)植物細(xì)胞質(zhì)中ATP供應(yīng)重要性的研究。本研究旨在解決為何線粒體呼吸在植物中必不可少的問題，具體區(qū)分兩種假設(shè)：（i）線粒體呼吸是必需的，因?yàn)樾枰�維持異養(yǎng)細(xì)胞以及光合作用不存在的異養(yǎng)發(fā)育階段；（ii）線粒體呼吸對(duì)于光合作用存在時(shí)細(xì)胞內(nèi)ATP供應(yīng)至關(guān)重要。Tomas Morosinotto等人選擇小立碗蘚（Physcomitrium patens）作為研究材料（因?yàn)樗�在整個(gè)發(fā)育過程中都是光自養(yǎng)的，從而能夠分離出在其他植物中不可行的突變體），通過在小立碗蘚中使用生物傳感策略，檢測(cè)了細(xì)胞質(zhì)ATP濃度對(duì)光的響應(yīng)變化。研究結(jié)果顯示，光合作用驅(qū)動(dòng)了細(xì)胞質(zhì)中ATP濃度的增加，而線粒體呼吸有助于維持細(xì)胞質(zhì)中ATP的穩(wěn)定供應(yīng)。在光照變化的條件下，植物細(xì)胞能夠通過線粒體呼吸來穩(wěn)定細(xì)胞質(zhì)ATP水平，使其不受光照波動(dòng)的影響，從而維持細(xì)胞的關(guān)鍵生理功能；復(fù)合體V缺陷突變體fAd的生長(zhǎng)嚴(yán)重受阻，但光合活性僅有輕微改變，表明盡管葉綠體途徑肯定對(duì)細(xì)胞內(nèi)ATP供應(yīng)有貢獻(xiàn)，但當(dāng)線粒體功能受損時(shí)，葉綠體無法完全補(bǔ)償線粒體失活對(duì)細(xì)胞質(zhì)ATP供應(yīng)的影響，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了線粒體呼吸在細(xì)胞質(zhì)ATP供應(yīng)中的關(guān)鍵和主導(dǎo)作用。本研究中葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)參數(shù)通過雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-PAM-100完成。

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