擬南芥動(dòng)態(tài)類囊體堆疊和狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)同工作以避免光系統(tǒng)I受體側(cè)限制
日期：2021-01-19 19:55:08
作者：Christopher Hepworth, William H. J. Wood, Tom Z.Emrich-Mills, Matthew S. Proctor, Stuart Casson and Matthew P. Johnson標(biāo)題：Dynamic thylakoid stacking and state transitionswork synergistically to avoid acceptor-side limitation of photosystem I
光合作用過(guò)程中，依賴tap38/stn7的捕光復(fù)合體II( LHCII )磷酸化調(diào)節(jié)了光系統(tǒng)Ⅰ(PSI)和II(PSII)的激發(fā)能分配（狀態(tài)轉(zhuǎn)換）和類囊體基粒堆疊的大小(動(dòng)態(tài)類囊體堆疊)。然而，相關(guān)機(jī)制目前尚不清楚，改變基粒大小如何有利于光合作用以及這兩種調(diào)控機(jī)制是否獨(dú)立發(fā)揮作用仍是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。近期，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Matthew P.Johnson實(shí)驗(yàn)室在Nature Plants上發(fā)表的文章Dynamic thylakoid stacking and statetransitions work synergistically to avoid acceptor-side limitation ofphotosystem I做出了解釋。他們通過(guò)將擬南芥野生型、stn7和tap38突變體植株與保留動(dòng)態(tài)類囊體堆積但缺乏狀態(tài)轉(zhuǎn)換的psal突變體進(jìn)行比較，來(lái)說(shuō)明它們?cè)诒苊夤庀到y(tǒng)I受體側(cè)限制方面分別發(fā)揮的作用。在低光照條件下，較小的基粒通過(guò)降低質(zhì)體醌（PQ）的擴(kuò)散距離來(lái)提高PSI的還原速率和光合作用。然而，只有在PSI / PSII激發(fā)平衡被狀態(tài)轉(zhuǎn)換或照射遠(yuǎn)紅光維持時(shí)這種有益的影響才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。在高光下，較大的基粒減緩了質(zhì)體醌的擴(kuò)散，降低了PC與PSI之間的平衡常數(shù)，通過(guò)避免PSI光抑制來(lái)最大化光合作用。在低光下狀態(tài)轉(zhuǎn)換的缺失或在高光下維持較小的基粒，也都會(huì)帶來(lái)環(huán)式電子傳遞的減少和PSI受體側(cè)的過(guò)還原。這些結(jié)果表明，在波動(dòng)光條件下，狀態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)類囊體堆疊協(xié)同調(diào)控光合作用。自然條件下，植物常常處于光強(qiáng)快速變化的環(huán)境中。類似的狀況可能會(huì)導(dǎo)致光合作用電子傳遞速率和下游合成還原劑對(duì)電子的消耗速率不匹配，即光反應(yīng)激發(fā)能轉(zhuǎn)化的電子供給和暗反應(yīng)（Calvin Benson Cycle）二氧化碳固定的所需的還原劑消耗不協(xié)調(diào)。過(guò)剩的激發(fā)能和電子會(huì)誘發(fā)活性氧產(chǎn)生，增加光合作用系統(tǒng)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。幸運(yùn)的是，植物已經(jīng)進(jìn)化出了廣泛而有效的調(diào)節(jié)機(jī)制，使它們能夠應(yīng)對(duì)光強(qiáng)的波動(dòng)，避免或減少光氧化脅迫。PSII受到非光化學(xué)淬滅( NPQ )的保護(hù)，它可以將捕光天線復(fù)合體( LHCII )吸收的過(guò)剩激發(fā)能以熱量的形式安全的耗散掉。PSI主要通過(guò)光合控制保護(hù)，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞色素b6f( Cytb6f )復(fù)合物經(jīng)質(zhì)體藍(lán)素( PC)傳遞電子的供給速率，避免受體側(cè)的過(guò)度還原。兩種保護(hù)機(jī)制，NPQ和光合控制則是通過(guò)線性(LET)和循環(huán)電子傳遞(CET)耦合產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子梯度(ΔpH)引起的。LET涉及通過(guò)光系統(tǒng)II(PSII)，質(zhì)體醌(PQ)，細(xì)胞色素b6f(Cytb6f)，質(zhì)體藍(lán)素(PC)，光系統(tǒng)I(PSI)，鐵氧還蛋白（Fd）和鐵氧還蛋白-NADP +還原酶（FNR）將電子從水轉(zhuǎn)移到煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP +）中，CET則將電子從Fd傳遞回PQ庫(kù)，有助于ΔpH和ATP合成，而不會(huì)還原NADP +。在擬南芥葉片中，F(xiàn)d-PQ還原酶(FQR)的活性與兩個(gè)獨(dú)立的途徑相關(guān)：一個(gè)是NDH介導(dǎo)的途徑，一個(gè)是PGR5和PGRL1蛋白介導(dǎo)的途徑，其中FQR活性在介導(dǎo)PGR5和PGRL1途徑時(shí)對(duì)抗霉素A抑制劑敏感。已經(jīng)有學(xué)者建議將PGR5和PGRL1直接作為AA敏感的FQR的功能指示，或者把它作為FNR-cytb6f復(fù)合體傳遞過(guò)程的FQR活性調(diào)節(jié)劑。由于ΔpH可以在秒時(shí)間尺度上形成并釋放，因此NPQ和光合控制能夠快速跟蹤光強(qiáng)變化。此外，植物還可以通過(guò)LHCII可逆磷酸化調(diào)節(jié)光合電子傳遞鏈的氧化還原狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)光合作用。但是，與光合控制和NPQ相比，LHCII的磷酸化和去磷酸化需要幾分鐘到幾十分鐘，因此它可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)綜合光強(qiáng)和光譜性質(zhì)的變化進(jìn)行光合作用調(diào)節(jié)。LHCII去磷酸化時(shí)，大部分是與PSII (狀態(tài)I ,State I)偶聯(lián)。磷酸化導(dǎo)致LHCII通過(guò)PSAL/H/O亞基與PSI發(fā)生強(qiáng)耦聯(lián)的比例增加。磷酸化/去磷酸化調(diào)節(jié)激發(fā)能在PSI和PSII上的合理分配，以保證LET鏈的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，這種機(jī)制被稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換(State Transitions)。除了上述調(diào)節(jié)激發(fā)能分配以外，LHCII磷酸化/去磷酸化的另一個(gè)作用效果是通過(guò)控制LHCII復(fù)合物在基質(zhì)表面的相互作用來(lái)影響類囊體膜的組織結(jié)構(gòu)，維持基粒的堆積。主要表現(xiàn)為低光下的LHCII磷酸化促進(jìn)了類囊體膜層數(shù)和基粒堆直徑的減少，同時(shí)增加了每個(gè)葉綠體的基粒數(shù)，高光下的去磷酸化則引發(fā)了相反的反應(yīng)。與狀態(tài)轉(zhuǎn)移不同，類囊體膜堆疊的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制尚不清楚。其中的一種解釋是小型的基?？梢源龠M(jìn)基粒類囊體和基質(zhì)類囊體之間的磷酸化LHCII發(fā)生交換。也有研究表明，較大的基粒（相對(duì)于吸收）增加了光散射，因此潛在地充當(dāng)強(qiáng)光下的光保護(hù)機(jī)制。最新的吸收閃光光譜技術(shù)研究表明，基粒減小可以提高菠菜中PSI的還原速率，并表明這可以提高LET效率?；Ｔ龃髸r(shí)，遠(yuǎn)紅外（FR）照射后PSI的還原有所增強(qiáng)，這與CET組分增加是一致的。因此，研究人員提出動(dòng)態(tài)類囊體堆疊可作為控制CET與LET比率的機(jī)制，盡管在這種情況下，去磷酸化對(duì)CET是有利的。野生型擬南芥、stn7和tap38突變體、保留動(dòng)態(tài)類囊體堆疊但缺乏狀態(tài)轉(zhuǎn)換的psal突變體擬南芥在CONVIRON植物生長(zhǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)5周，培養(yǎng)條件為200 μmolm-2s-1光照8小時(shí)，晝夜溫度設(shè)置為22/18℃。ECS光譜吸收（gH+、pmf）使用Dual-PAM-100的P515/535探頭測(cè)量；葉綠素?zé)晒猓≒SII活性）、P700（PSI活性）、PC和Fd光譜吸收（PC和Fd的氧化還原狀態(tài)）使用Dual-KLAS-NIR和Imaging-PAM測(cè)量。
>>部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果<<圖1 類囊體顆粒直徑的變化和低光/高光下光系統(tǒng)之間的激發(fā)能分布
在低光下125μmolm-2s-1時(shí)，stn7突變體的基粒明顯大于WT，psal和tap38等株系在高光下1150μmolm-2s-1時(shí)，psal，WT和stn7株系的基粒都略大于tap38株系低光和高光的77 K熒光發(fā)射光譜顯示了WT株系發(fā)生了狀態(tài)轉(zhuǎn)換stn7或psal突變體始終在狀態(tài)I，tap38突變體始終在狀態(tài)II。圖2 氣體交換，葉綠素?zé)晒夂筒钍疚諟y(cè)量WT，tap38，stn7和psal擬南芥植物的光合特性
低光時(shí)，與stn7和psal株系相比，WT和tap38株系的CO2同化（ACO2）更高；高光時(shí)， tap38株系的ACO2明顯低于stn7，WT和psal株系；擴(kuò)展數(shù)據(jù)表明這些作用不是由于氣孔密度或氣孔導(dǎo)度的差異所致。葉綠素?zé)晒獬上耧@示PSII量子產(chǎn)率（ΦPSII）在psal植株中最低，低光下stn7植株最低，高光下tap38植株最低。P700的數(shù)據(jù)則表明，高光下WT植株的NPQ最高，tap38植株受體測(cè)限制Y(NA)最大。圖3 四種實(shí)驗(yàn)材料不同照光設(shè)置下P700，PC氧化和Fd還原的分析以及對(duì)P700+，PC+還原和Fd-氧化的DIRK動(dòng)力學(xué)分析低光時(shí)，所有擬南芥株系的P700都保持還原態(tài)。而PC由于其較低的氧化還原電位而被部分氧化。低光下較低的穩(wěn)態(tài)PC氧化水平與psal和stn7中較低的PSI活性相一致，因?yàn)樗鼈儽绘i定在狀態(tài)I。這與stn7和psal在低光下較高的Y(NA)一致。低光照后補(bǔ)充遠(yuǎn)紅光的結(jié)果顯示W(wǎng)T，tap38，psal和stn7植株P(guān)C氧化水平增加到大約60％（圖3b）。相比之下，在低光照后補(bǔ)充遠(yuǎn)紅光，stn7株系的P700氧化稍高，為25％，而psal，WT和tap38株系為18–20％（圖3b），這與相同條件下觀察到的更大的Y(ND)一致（圖7b）。在所有植物中，與低光照相比，低光照后補(bǔ)充遠(yuǎn)紅光的Fd還原均降低，即便如此，stn7株系Fd還原水平仍高于WT和tap38，psal也與后者相似（圖3b）。高光照時(shí)，WT，stn7和psal植株的PC氧化水平約為85％，P700氧化水平約為75％，但是，在tap38植株中，P700大約只有被60％氧化，而PC已經(jīng)被氧化至98％。高光下Fd還原狀態(tài)顯示，與stn7，WT和psal植株的30％相比，tap38植株Fd被還原幅度更大，約40％。氧化或還原的PC，P700和Fd比例關(guān)系發(fā)生變化表明，與stn7，WT和psal植株相比，tap38植株中這些物質(zhì)之間的平衡常數(shù)發(fā)生了變化。圖4 stn7和tap38植株電子傳輸調(diào)節(jié)不良的可能原因分析分析了pmf，基粒大小，QA-再氧化弛豫動(dòng)力學(xué)對(duì)電子傳遞的影響，得出動(dòng)態(tài)類囊體堆疊通過(guò)影響PSII和Cytb6f之間PQH2擴(kuò)散影響電子傳遞。Tap38植株受體側(cè)過(guò)度還原影響循環(huán)電子傳遞。
