Consequences of photosystem-I damage and repair on photosynthesis and carbon use in Arabidopsis thaliana

光系統(tǒng)I損傷和修復(fù)對(duì)擬南芥光合作用和碳利用的影響

來(lái)源：The Plant Journal, Volume 97, 2019, pages 1061-1072

《植物雜志》，第97卷，2019年，第1061-1072頁(yè)

 

摘要：

論文摘要指出，自然生長(zhǎng)環(huán)境中的波動(dòng)條件會(huì)破壞光合能量平衡，導(dǎo)致光合機(jī)構(gòu)光抑制。PSII光抑制能通過(guò)修復(fù)循環(huán)快速逆轉(zhuǎn)，但PSI光抑制恢復(fù)較慢。研究使用擬南芥pgr5突變體在過(guò)量光下處理以模擬PSI功能受損，探討PSI光抑制和恢復(fù)對(duì)光合作用和碳代謝的影響。PSI光抑制在低光強(qiáng)下對(duì)CO2固定的負(fù)面影響尤其嚴(yán)重，淀粉積累受損反映在暗呼吸減少，但這不是由于糖合成受損。盡管PSI光抑制持續(xù)數(shù)天，葉綠體和線粒體代謝仍能恢復(fù)正常。結(jié)果表明PSI功能恢復(fù)涉及光捕獲天線重組，并暗示存在一個(gè)額外的PSI池，可在需求條件下支持光合作用。

 

研究目的：

研究目的是探討PSI光抑制和后續(xù)恢復(fù)對(duì)光合作用、碳同化和代謝的影響，特別是在不同光強(qiáng)下，以深化對(duì)植物響應(yīng)光脅迫機(jī)制的理解。

 

研究思路：

研究使用擬南芥野生型（WT）和pgr5突變體，進(jìn)行高光（HL，1000 μmol m?2 s?1）處理4小時(shí)，然后在生長(zhǎng)光（GL，125 μmol m?2 s?1）下恢復(fù)5天。通過(guò)測(cè)量光化學(xué)參數(shù)、氣體交換、碳水化合物含量和線粒體呼吸，比較處理組和對(duì)照組的差異，使用統(tǒng)計(jì)方法分析數(shù)據(jù)，以揭示PSI損傷和恢復(fù)的動(dòng)態(tài)及其對(duì)代謝的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. PSII和PSI的光化學(xué)參數(shù)，如最大葉綠素a熒光（Fm）、PSI反應(yīng)中心P700最大氧化能力（Pm）、鐵氧還蛋白最大還原狀態(tài)（Fdxm）和質(zhì)體藍(lán)素最大氧化狀態(tài)（PCm）。研究意義：這些參數(shù)顯示PSII和PSI光抑制程度及恢復(fù)動(dòng)態(tài)，揭示電子傳輸鏈狀態(tài)和光保護(hù)機(jī)制。來(lái)源：圖1。

 

2. PSI蛋白亞基豐度，如PsaB、PsaC和PsaD，以及類囊體蛋白磷酸化狀態(tài)。研究意義：評(píng)估PSI損傷的分子基礎(chǔ)，顯示蛋白降解和修復(fù)過(guò)程，并反映光捕獲調(diào)整。來(lái)源：圖2。

 

3. CO2同化率在不同光強(qiáng)下（50、125和1000 μmol m?2 s?1）。研究意義：揭示PSI光抑制對(duì)碳固定的光強(qiáng)依賴性影響，說(shuō)明低光下光合作用更易受抑制。來(lái)源：圖3。

 

4. 碳水化合物含量，包括淀粉、葡萄糖和果糖。研究意義：顯示PSI損傷對(duì)碳分配的影響，淀粉積累減少可能影響能量?jī)?chǔ)備和夜間代謝。來(lái)源：圖4。

 

5. 線粒體呼吸率，包括日間呼吸和夜間O2吸收。研究意義：評(píng)估PSI損傷對(duì)能量代謝的間接影響，呼吸變化與碳水化合物可用性相關(guān)，反映代謝平衡。來(lái)源：圖5。

 

 

結(jié)論：

PSI光抑制在低光強(qiáng)下對(duì)光合作用影響更大，但植物通過(guò)調(diào)整光捕獲天線（如LHCII磷酸化）和可能利用額外PSI池來(lái)部分恢復(fù)功能。PSI損傷導(dǎo)致淀粉積累減少，影響線粒體呼吸，但糖代謝正常。恢復(fù)過(guò)程中，PSI效率提高，電子傳輸改善，表明植物具有代謝可塑性以應(yīng)對(duì)光脅迫。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

研究中使用丹麥Unisense氧微電極（型號(hào)OX-NP）測(cè)量葉片O2吸收率，以評(píng)估線粒體呼吸。具體數(shù)據(jù)包括黑暗中的O2 uptake速率，用于分析日間和夜間呼吸變化。研究意義在于：Unisense電極提供高精度O2測(cè)量，能夠量化PSI光抑制對(duì)線粒體代謝的直接影響。數(shù)據(jù)顯示，PSI損傷導(dǎo)致夜間呼吸率降低，與淀粉積累減少相關(guān)，這驗(yàn)證了碳水化合物可用性對(duì)呼吸的調(diào)控作用。此外，電極測(cè)量揭示了呼吸動(dòng)態(tài)，如HL處理后O2吸收率下降，支持了PSI損傷通過(guò)限制能量供應(yīng)影響整體代謝的結(jié)論。這種精確測(cè)量增強(qiáng)了研究結(jié)果的可靠性，為理解光脅迫下植物能量平衡提供了實(shí)證基礎(chǔ)。