...論文:利用差示吸收-葉綠素螢光-氣體交換測量技術深入研究光合...

2020-11-27 中國教育裝備採購網

    近日，德美科學家運用差示吸收、葉綠素螢光和氣體交換測量技術在國際頂級刊物《Plant Cell》上在線發表了最新研究成果。該研究通過分子生物學技術構建突變體，然後結合高級氣體交換測量系統GFS-3000、雙通道PAM-100測量系統Dual-PAM-100、以及動態LED陣列差示吸收光譜儀KLAS-100等尖端光合生理研究設備，對突變體光合作用的光反應、暗反應、電子傳遞、跨膜質子動力勢，電子傳遞體的活性等進行了直接全面的測定和分析。為研究結果提供了可靠的直接證據支持，並在國際頂級刊物《Plant Cell》發表。這項研究代表了光合生理最新研究動向，具有很好的借鑑和啟發意義。

 

    研究摘要：菸草能夠根據合成ATP和NADPH的需要嚴格控制ATP酶和細胞色素b6f複合體的量。雖然細胞色素b6f複合體能夠通過催化光合電子傳遞的限速步驟調控光合同化過程，但同樣重要的ATP酶在光合調控過程中的意義和作用尚不明確。該研究分別通過反義轉基因技術抑制細胞核編碼的γ亞基(AtpC)的合成，同時通過葉綠體轉基因技術對葉綠體中atpB基因(編碼β亞基)的起始密碼子進行點突變來抑制ATP酶的合成。兩種策略所得轉基因植株中ATP酶的含量可降至野生型的100到<10%。結果表明，雖然電子傳遞鏈的組分並未發生太大的改變，但由於質體醌在細胞色素b6f複合體處的再氧化速率下降(光合調控)使得線性電子傳遞被嚴重抑制。另外，非光化學淬滅在很低的光強下即被激發，這大大降低了CO2同化的量子效率。研究發現其原因是穩態下跨膜質子動力勢升高，導致類囊體腔過度酸化，從而誘導了光合調控及位於天線的激發能耗散，最終導致了光合的下降。

 

    研究中用到的主要儀器(點擊連結可查看詳細信息)：

    光合氣體交換及葉綠素螢光同步測定：GFS-3000 +3055FL螢光附件

    質子動力勢pmf測定：KLAS-100

    葉綠素螢光、PSI差示吸收和PC的測定：標準版Dual-PAM-100和特殊版DUAL-PAM(PC和P700同步測量)

    參考文獻：http://www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.110.079111

 

 

圖1. AtpC反義植株ATP酶含量下降發育遲緩。

(A) 野生型(WT)、弱(atpC2)和強(atpC1)反義株系

(B) RNA凝膠條帶，可見植株表型與AtpC mRNA受抑制程度相關。

(C) AtpC反義植株蛋白質凝膠條帶。為便於相對比較，依次為野生型25和50%稀釋樣品，野生型樣品，弱和強反義植株樣品。PSII核心亞基(PsbD)，cyt-bf(PetA)，PSI(PsaA)及ATP酶(AtpA)。

(D) 77K葉綠素a螢光發射光譜，表明轉基因植株天線結構未發生改變。

 

 

圖4. 同化能力及線性電子傳遞受到ATP酶活性的限制

(A) ATP酶活性(gH+)與ATP酶含量的關係

(B)   同化速率(基於單位葉面積)與ATP酶活性(gH+)的關係

(C) 線性電子傳遞(基於單位葉面積。通過葉綠素a螢光分析得到，並經葉片吸光係數修正。)與ATP酶活性(gH+)的關係

 

 

圖5. ATP酶含量下降導致穩態類囊體跨膜PMF升高

(A) 類囊體跨膜總pmf對不同光強的響應，由ECS信號在光暗轉換時的最大振幅(ECST)得到。

(B)   Pmf的組分ΔpH和ΔΨ對不同光強的響應。根據慢馳預動力學中由相反離子通過類囊體膜的ECS的比例求得(ECSinv)，與ECST有關。在GTG-atpB及反義株系中，總pmf大幅增加，特別是在低光強下。pmf的ΔpH組分略有下降。

 

 

圖6. 線性電子傳遞速率下降，PSII受體側過度還原，以及ATP酶減少加速誘導了qN的升高。

(A)   線性電子傳遞的光飽和曲線，通過PSII yield測定並經過葉片吸光係數修正。ATP酶含量下降嚴重抑制了線性電子傳遞。

(B)   PSII受體側的氧化還原狀態(qL). 隨著光強升高，PSII受體側逐漸下降。需注意強反義株系和GTG-atpB在低光強下即表現這種效應。

(C)   非光化學淬滅(qN). 反義株系和GTG-atpB在較低光強下qN即開始升高，這導致了激發能的熱耗散增加，光合量子效率下降，因此光能利用率較低。

 

 

圖7. ATP酶突變體中流經cyt-bf的線性電子傳遞受抑制

(A)   PSI和高能鏈依賴光強的供體側氧化態隨光強的變化

Cyt-f(B)和P700(C)的還原速率減緩，表明光合調控導致線性電子傳遞受到抑制

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