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昆明植物所在光合作用调控机制研究中取得系列进展

文章来源:中国科学院网站    时间:2019-10-11


自然条件下,植物叶片接受到的光照强度随时在波动,时而光照不足,时而光能过剩。当光强突然增加时,植物叶片吸收的过剩光能容易造成光系统I活性损伤并影响植物生长。根据光合作用理论模型,环式电子传递和水水循环这两种替代电子传递途径都可以保护被子植物的光系统I活性免受波动光强的损伤。然而一直以来,环式电子传递介导的跨类囊体膜质子梯度的形成被认为是被子植物适应波动光强的主要调控机制。关于水水循环在被子植物适应波动光强中的调控作用鲜有报道。

近期,中国科学院昆明植物研究所张石宝团队对被子植物适应波动光强的光合调控策略开展了深入的研究。在对模式植物拟南芥的研究中发现,在光强突然增加的前20秒内,叶绿体并不能建立充分的跨类囊体膜质子梯度,进而导致过剩的电子从光系统II传递到光系统I,造成光系统I的过度还原,引发活性氧自由基的产生并造成光系统I损伤。虽然光系统I反应中心的过度还原会激发环式电子传递,但这仍然无法避免拟南芥光系统I发生损伤。由于拟南芥的水水循环活性很低,这一结果仍然不能排除水水循环在波动光强中的调控作用。

基于研究团队前期在华东山茶(Camellia japonica)中发现水水循环是其适应强光胁迫的重要策略,研究人员对华东山茶开展了进一步研究,发现水水循环能够快速将光系统I处过剩的电子传递给氧气以解除光系统I的过度还原态,进而保护光系统I活性免受波动光强的损伤。进一步的研究发现,在波动光强中,水水循环是一种比环式电子传递更为高效的光保护策略。这是国际上首次揭示水水循环在波动光强下的重要调控作用,这一新机制随后又在景天酸科植物落地生根(Bryophyllum pinnatum)中被证实。然而,水水循环这一保护策略存在种间差异。例如,在对野生高盆樱桃(Cerasus cerasoides)的研究中发现,水水循环的作用并不明显。这些研究结果表明,被子植物适应波动光强的光合调控策略存在多样性与复杂性。

以上相关研究结果分别发表于Environmental and Experimental Botany(1篇)、Plant Science(1篇)和BBA-Bioenergetics(3篇)。上述研究工作得到国家自然科学基金项目(No.2016347)中科院青年促进会(31670343)的支持。


 
 
 
 

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