擬南芥動態(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標題：Dynamic thylakoid stacking and state transitionswork synergistically to avoid acceptor-side limitation of photosystem I
光合作用過程中，依賴tap38/stn7的捕光復合體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(動態(tài)類囊體堆疊)。然而，相關(guān)機制目前尚不清楚，改變基粒大小如何有利于光合作用以及這兩種調(diào)控機制是否獨立發(fā)揮作用仍是一個科學問題。近期，英國謝菲爾德大學Matthew P.Johnson實驗室在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。他們通過將擬南芥野生型、stn7和tap38突變體植株與保留動態(tài)類囊體堆積但缺乏狀態(tài)轉(zhuǎn)換的psal突變體進行比較，來說明它們在避免光系統(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，較小的基粒通過降低質(zhì)體醌（PQ）的擴散距離來提高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)換或照射遠紅光維持時這種有益的影響才會顯現(xiàn)出來。在高光下，較大的基粒減緩了質(zhì)體醌的擴散，降低了PC與PSI之間的平衡常數(shù)，通過避免PSI光抑制來最大化光合作用。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，也都會帶來環(huán)式電子傳遞的減少和PSI受體側(cè)的過還原。這些結(jié)果表明，在波動光條件下，狀態(tài)轉(zhuǎn)換和動態(tài)類囊體堆疊協(xié)同調(diào)控光合作用。自然條件下，植物常常處于光強快速變化的環(huán)境中。類似的狀況可能會導致光合作用電子傳遞速率和下游合成還原劑對電子的消耗速率不匹配，即光反應激發(fā)能轉(zhuǎn)化的電子供給和暗反應（Calvin Benson Cycle）二氧化碳固定的所需的還原劑消耗不協(xié)調(diào)。過剩的激發(fā)能和電子會誘發(fā)活性氧產(chǎn)生，增加光合作用系統(tǒng)損壞的風險。幸運的是，植物已經(jīng)進化出了廣泛而有效的調(diào)節(jié)機制，使它們能夠應對光強的波動，避免或減少光氧化脅迫。PSII受到非光化學淬滅( NPQ )的保護，它可以將捕光天線復合體( LHCII )吸收的過剩激發(fā)能以熱量的形式安全的耗散掉。PSI主要通過光合控制保護，通過調(diào)節(jié)細胞色素b6f( Cytb6f )復合物經(jīng)質(zhì)體藍素( PC)傳遞電子的供給速率，避免受體側(cè)的過度還原。兩種保護機制，NPQ和光合控制則是通過線性(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涉及通過光系統(tǒng)II(PSII)，質(zhì)體醌(PQ)，細胞色素b6f(Cytb6f)，質(zhì)體藍素(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，有助于ΔpH和ATP合成，而不會還原NADP +。在擬南芥葉片中，F(xiàn)d-PQ還原酶(FQR)的活性與兩個獨立的途徑相關(guān)：一個是NDH介導的途徑，一個是PGR5和PGRL1蛋白介導的途徑，其中FQR活性在介導PGR5和PGRL1途徑時對抗霉素A抑制劑敏感。已經(jīng)有學者建議將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復合體傳遞過程的FQR活性調(diào)節(jié)劑。由于ΔpH可以在秒時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變化。此外，植物還可以通過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，因此它可以在較長時間內(nèi)綜合光強和光譜性質(zhì)的變化進行光合作用調(diào)節(jié)。LHCII去磷酸化時，大部分是與PSII (狀態(tài)I ,State I)偶聯(lián)。磷酸化導致LHCII通過PSAL/H/O亞基與PSI發(fā)生強耦聯(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鏈的高效運轉(zhuǎn)，這種機制被稱為狀態(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/去磷酸化的另一個作用效果是通過控制LHCII復合物在基質(zhì)表面的相互作用來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磷酸化促進了類囊體膜層數(shù)和基粒堆直徑的減少，同時增加了每個葉綠體的基粒數(shù)，高光下的去磷酸化則引發(fā)了相反的反應。與狀態(tài)轉(zhuǎn)移不同，類囊體膜堆疊的動態(tài)變化機制尚不清楚。其中的一種解釋是小型的基?？梢源龠M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（相對于吸收）增加了光散射，因此潛在地充當強光下的光保護機制。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。基粒增大時，遠紅外（FR）照射后PSI的還原有所增強，這與CET組分增加是一致的。因此，研究人員提出動態(tài)類囊體堆疊可作為控制CET與LET比率的機制，盡管在這種情況下，去磷酸化對CET是有利的。野生型擬南芥、stn7和tap38突變體、保留動態(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植物生長箱內(nèi)培養(yǎng)5周，培養(yǎng)條件為200 μmolm-2s-1光照8小時，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探頭測量；葉綠素熒光（PSII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測量。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，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，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，葉綠素熒光和差示吸收測量WT，tap38，stn7和psal擬南芥植物的光合特性
低光時，與stn7和psal株系相比，WT和tap38株系的CO2同化（ACO2）更高；高光時， tap38株系的ACO2明顯低于stn7，WT和psal株系；擴展數(shù)據(jù)表明這些作用不是由于氣孔密度或氣孔導度的差異所致。葉綠素熒光成像顯示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植株受體測限制Y(NA)最大。圖3 四種實驗材料不同照光設(shè)置下P700，PC氧化和Fd還原的分析以及對P700+，PC+還原和Fd-氧化的DIRK動力學分析低光時，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，因為它們被鎖定在狀態(tài)I。這與stn7和psal在低光下較高的Y(NA)一致。低光照后補充遠紅光的結(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，在低光照后補充遠紅光，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，低光照后補充遠紅光的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，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-再氧化弛豫動力學對電子傳遞的影響，得出動態(tài)類囊體堆疊通過影響PSII和Cytb6f之間PQH2擴散影響電子傳遞。Tap38植株受體側(cè)過度還原影響循環(huán)電子傳遞。
