葉綠素?zé)晒鈨x和光合儀高分應(yīng)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(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x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(xué)領(lǐng)域?qū)�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(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x在光合作用研究領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先~遙遙領(lǐng)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(rèn)知，但是，人們對它們降解中的關(guān)鍵基因卻知之甚少，盡管它們的水解和氧化產(chǎn)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(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院的李鵬民教授團(tuán)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(dǎo)向蛋白純化鑒定了兩個關(guān)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(chǎn)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(gòu)體）。
該研究采用粗酶提取、大腸桿菌異源表達(dá)以及水解和氧化能力測定，HPLC和LC-MS 分析，分子建模，亞細(xì)胞定位，RNA 測序和等位基因特異性表達(dá)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?zé)晒夂腿~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(jié)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(guān)。本研究中葉綠素?zé)晒鈪��?shù)Fv/Fm的測量通過IMAGING-PAM葉綠素?zé)晒獬上裣到y(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(guān)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(chǔ)，它們對上述兩個關(guān)鍵因素的響應(yīng)和適應(yīng)能力直接關(guān)系到地球生態(tài)平衡和人類生存。浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)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(yīng)，增強(qiáng)植物的抗逆能力，然而其潛在的分子機(jī)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(xué)領(lǐng)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(jìn)一步通過光合作用和光保護(hù)途徑調(diào)控番茄高溫抗性的分子機(jī)制。
該研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度及高溫共同處理促進(jìn)番茄葉片質(zhì)外體Glc含量積累，外源Glc處理顯著增強(qiáng)番茄高溫抗性；高濃度Glc特異性結(jié)合番茄RGS1蛋白并誘導(dǎo)其胞吞，從而削弱RGS1-GPA1蛋白互作強(qiáng)度，激活G蛋白信號。構(gòu)建rgs1和gpa1突變體，發(fā)現(xiàn)RGS1響應(yīng)CO2-Glc濃度變化負(fù)調(diào)控番茄高溫抗性，而GPA1傳導(dǎo)Glc信號，進(jìn)一步通過影響光合作用和光保護(hù)途徑中葉綠素a/b結(jié)合蛋白、光系統(tǒng)PSΙ/II反應(yīng)中心亞基、以及RuBP羧化酶小亞基等基因的表達(dá)，正調(diào)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(qiáng)等環(huán)境變化，傳導(dǎo)Glc信號調(diào)控番茄對細(xì)菌性葉斑病的抗性。在此基礎(chǔ)上，本次發(fā)表的研究成果首次揭示了植物細(xì)胞膜上的RGS1-GPA1復(fù)合體響應(yīng)高CO2濃度和高溫等環(huán)境變化引起的Glc信號，進(jìn)一步通過影響下游光合作用及光保護(hù)途徑相關(guān)基因的表達(dá)，介導(dǎo)番茄的高溫抗性，為理解全球氣候變化下植物的適應(yīng)性機(jī)制，以及設(shè)施蔬菜抗性增強(qiáng)的CO2施肥技術(shù)研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。本研究中番茄葉片葉綠素?zé)晒鈪��?shù)Fv/Fm的測量通過MAXI-IMAGING-PAM葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)完成。光系統(tǒng)I光能轉(zhuǎn)換活性通過雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-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(lán)細(xì)菌與真核宿主細(xì)胞的內(nèi)共生作用，是綠色植物特有的重要細(xì)胞器，在光合作用等基本生命活動中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在漫長演化歷程中，植物逐漸形成了調(diào)控葉綠體數(shù)量和大小的功能機(jī)制，以確保細(xì)胞內(nèi)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(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)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(guān)研究成果揭示了植物葉綠體分裂機(jī)制中少數(shù)起源于真核宿主細(xì)胞的分裂基因更多地參與到幫助植物適應(yīng)登陸后復(fù)雜、多變環(huán)境生物學(xué)過程的適應(yīng)性演化機(jī)制。
本研究利用最新公布的泛植物界物種的基因組和轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jī)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(qiáng)烈選擇，基因的分散復(fù)制為此提供了適應(yīng)性演化的主要動力。通過利用多組學(xué)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、單細(xì)胞等）開發(fā)的基因功能注釋工具，進(jìn)一步表明分散復(fù)制演化的葉綠體分裂基因獲得了更多物種特異性功能。結(jié)合遺傳和生理實驗，證明了由分散復(fù)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(diào)控植物生長發(fā)育的新功能。綜上，本研究為葉綠體分裂機(jī)制的演化提供了一個綜合視角，并強(qiáng)調(diào)了基因的分散復(fù)制作為葉綠體分裂適應(yīng)性演化主要來源的潛力。本研究中葉綠素?zé)晒鈪��?shù)Fv/Fm的測量通過IMAGING-PAM葉綠素?zé)晒獬上裣到y(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(zhuǎn)化為化學(xué)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(nèi)側(cè)的質(zhì)體藍(lán)素或細(xì)胞色素c到外側(cè)鐵氧還蛋白的跨膜電子傳遞，其光化學(xué)量子產(chǎn)率接近100%，是自然界最高效的光能捕獲和轉(zhuǎn)化裝置。PSI是自然界中最大、最復(fù)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(fù)合物。如此高效復(fù)雜的裝置是如何組裝形成的，一直是科學(xué)家們努力探索的問題。
2024年3月19日，國際權(quán)威植物學(xué)學(xué)術(shù)期刊Nature Plants在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院盧從明教授課題組標(biāo)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(diào)控分子機(jī)理研究團(tuán)隊在光合作用光系統(tǒng)I生物發(fā)生研究領(lǐng)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(diào)控作用，揭示了植物光系統(tǒng)I超級復(fù)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(fù)合物組裝的分子機(jī)制。

盧從明教授團(tuán)隊長期致力于PSI超級復(fù)合物組裝機(jī)制的研究。為揭開PSI超級復(fù)合物組裝之謎，他們通過光譜學(xué)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(fù)合體的組裝。通過構(gòu)建pbf8 PBF8-HA轉(zhuǎn)基因植株，利用HA標(biāo)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(fù)合物組裝的主要途徑。本研究中葉綠素?zé)晒鈪��?shù)的測量通過便攜式葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500完成，P700差示吸收和PSI光能轉(zhuǎn)換效率通過雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-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(dǎo)致的光照強(qiáng)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(dǎo)致有害的活性氧自由基(ROS)的產(chǎn)生，并對光合器官造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，或引發(fā)光抑制。因此，植物如何適應(yīng)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(guān)鍵屬性和適應(yīng)性表現(xiàn)。

已有大量研究結(jié)果表明，PROTON GRADIENT REGULATION5(PGR5)被認(rèn)為能促進(jìn)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(dǎo)致波動光照下的幼苗死亡。2024年3月27日，慕尼黑大學(xué)生物學(xué)院植物生物學(xué)Dario Leister教授課題組在植物生物學(xué)領(lǐng)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(zhì)體藍(lán)素積累、CHLOROPLAST FRUCTOSE-1,6-BISPHOSPHATASE1 (cFBP1)或其負(fù)調(diào)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(fù)可以用PSI供體側(cè)限制的恢復(fù)來解釋，這種限制是由于 PSII、Cytb6f或質(zhì)體藍(lán)素的缺陷導(dǎo)致流向PSI的電子流減少造成的。cFBP1或其負(fù)性調(diào)節(jié)因子ACHT2失活會導(dǎo)致NADH脫氫酶樣復(fù)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和去乙酰化誘導(dǎo)蛋白1(DEIP1)/新微粒ALBINO1 (NTA1)（以前認(rèn)為它們對細(xì)胞色素b6f的組裝至關(guān)重要）的植物可以存活并積累Cytb6f。研究人員認(rèn)為PGR5可對Cytb6f復(fù)合物產(chǎn)生負(fù)面影響，而DEIP1/NTA1可改善這種負(fù)面影響。本研究中，葉綠素?zé)晒饧癙700差示吸收參數(shù)的測量通過雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-PAM-100完成。擬南芥幼苗的葉綠素?zé)晒獬上裢ㄟ^蜂巢矩陣葉綠素?zé)晒獬上裣到y(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(qū)動反應(yīng)和葉綠體基質(zhì)中的固碳反應(yīng)。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(chǎn)地利用這種多變的光照供應(yīng)，就需要這兩個基本步驟進(jìn)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(xué)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(yīng)和固碳反應(yīng)的這種交流涉及到暴露在基質(zhì)上的類囊體K+交換反轉(zhuǎn)運體KEA3的C端，它可以調(diào)節(jié)類囊體膜上的ΔpH，從而實現(xiàn)pH依賴性光保護(hù)。通過結(jié)合生物信息學(xué)、體外和體內(nèi)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(diào)節(jié)運輸活性。相關(guān)的數(shù)據(jù)共同確定了一個調(diào)控反饋回路，基質(zhì)能量狀態(tài)通過KEA3的多級調(diào)控來協(xié)調(diào)光捕獲和光保護(hù)。
附錄：參考文獻(xiàn)及其他高分文章
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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.
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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).
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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.
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