Nature Comm.|針葉樹為啥能適應寒冬?光系統間的能量傳遞很關鍵

2021-01-08 BioArt生物藝術

#BioArt植物#

撰文 | SHR

責編 | 奕梵

光合作用是地球上大多數生命活動的基礎，因此，光合作用生物已進化出多種適應方式以應對各種惡劣環境。北方森林是其中的一個典範，其覆蓋了全球約70%的針葉林，並且其物種多樣性顯著低於其他陸地生態系統（以常綠針葉樹為主）【1】。然而，這些植物可以適應寒帶地區的極度低溫環境，並在夏季完全恢復，這表明這些常綠針葉林已進化出一套防禦機制以保護光合器官。

隨著近幾十年來對光合生物光保護機制研究的不斷深入，已經明確了多個控制系統通過消耗過剩的激發能以保護光合器官。2003年，quist和Huner的一項關於常綠植物光合作用的綜述中指出，越冬的針葉樹會在冬季進入一種「持續淬滅」狀態，並且他們證明此時光系統I（PSI）可以通過循環電子傳遞進行吸收光的光化學或非光化學猝滅，從而起到重要的光合器官保護作用【2】。此外，最近的一項研究還表明替代電子傳遞途徑可能在此過程中發揮一定作用【3】。然而，目前關於針葉樹在冬季進行光能猝滅的確切機制尚不清楚。

近日，瑞典Ume University的Stefan Jansson和荷蘭Vrije Universiteit Amsterdam的Alfred R. Holzwarth等合作在Nature Communications在線發表了一篇題為Direct energy transfer from photosystem II to photosystem I confers winter sustainability in Scots Pine的研究論文，在歐洲赤松（Scots Pine）中揭示了針葉樹冬季保持存活的關鍵生理機制。

該研究通過對歐洲赤松松針的葉綠素螢光、葉綠體超微結構以及色素-蛋白組分進行了連續三年的檢測並記錄了氣候變化，以揭示其光合器官的季節性調節機制。該研究通過對PSI和PSII的性能參數分析，發現了高度動態的光合器官的結構和功能的季節性重排。此外，該研究對松針進行了超快時間分辨螢光測定（ultrafast time-resolved fluorescence measurements），發現PSII活性顯著下調並且發生了PSII到PSI的直接能量轉移，這可能是冬季和初春松針 「持續淬滅」的關鍵機制。進一步的研究發現，葉綠體超微結構也發生了季節性變化，並且隨著溫度的降低囊狀類囊體/顆粒的數量顯著降低。該研究表明，這種類囊體膜的高度可塑性導致類囊體堆垛，並允許PSII與PSI複合體的混合，從而使能量專遞得以實現。

Molecular model for acclimation of photosynthetic machinery under changing natural environmental conditions

總之，該研究通過監測歐洲赤松松針葉綠體結構和螢光參數的季節性變化，發現了涉及到類囊體結構重排和光系統間能量轉移的光能猝滅機制，這種機制對寒冬松樹的生存至關重要。

參考文獻

【1】Nystedt, B. et al. The Norway spruce genome sequence and conifer genome evolution. Nature 497, 579–584 (2013).

【2】quist, G. & Huner, N. P. A. Photosynthesis of overwintering evergreen plants. Annu Rev. Plant Biol. 54, 329–355 (2003).

【3】Yang, Q. et al. Two dominant boreal conifers use contrasting mechanisms to reactivate photosynthesis in the spring. Nat. Commun. 11, 1–12 (2020).

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20137-9

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