近日,德美科學家運用差示吸收、葉綠素熒光和氣體交換測量技術在*刊物《Plant Cell》上在線發(fā)表了研究成果。該研究通過分子生物學技術構建突變體,然后結合氣體交換測量系統(tǒng)GFS-3000、雙通道PAM-100測量系統(tǒng)Dual-PAM-100、以及動態(tài)LED陣列差示吸收光譜儀KLAS-100等光合生理研究設備,對突變體光合作用的光反應、暗反應、電子傳遞、跨膜質(zhì)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(jù)支持,并在*刊物《Plant Cell》發(fā)表。這項研究代表了光合生理研究動向,具有很好的借鑒和啟發(fā)意義。
研究摘要:煙草能夠根據(jù)合成
ATP和NADPH的需要嚴格控制ATP酶和細胞色素b6f復合體的量。雖然細胞色素b6f復合體能夠通過催化光合電子傳遞的限速步驟調(diào)控光合同化過程,但同樣重要的ATP酶在光合調(diào)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并未發(fā)生太大的改變,但由于質(zhì)體醌在細胞色素b6f復合體處的再氧化速率下降(光合調(diào)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(fā),這大大降低了CO2同化的量子效率。研究發(fā)現(xiàn)其原因是穩(wěn)態(tài)下跨膜質(zhì)子動力勢升高,導致類囊體腔過度酸化,從而誘導了光合調(diào)控及位于天線的激發(fā)能耗散,zui終導致了光合的下降。
研究中用到的主要儀器(點擊鏈接可查看詳細信息):
光合氣體交換及葉綠素熒光同步測定:GFS-3000 +3055FL熒光附件
質(zhì)子動力勢pmf測定:KLAS-100
葉綠素熒光、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(fā)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(zhì)凝膠條帶。為便于相對比較,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熒光發(fā)射光譜,表明轉基因植株天線結構未發(fā)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酶含量的關系
(B) 同化速率(基于單位葉面積)與ATP酶活性(gH+)的關系
(C) 線性電子傳遞(基于單位葉面積。通過葉綠素a熒光分析得到,并經(jīng)葉片吸光系數(shù)修正。)與ATP酶活性(gH+)的關系
圖5. ATP酶含量下降導致穩(wěn)態(tài)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zui大振幅(ECST)得到。
(B) Pmf的組分ΔpH和ΔΨ對不同光強的響應。根據(jù)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測定并經(jīng)過葉片吸光系數(shù)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(tài)(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(xiàn)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(fā)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(jīng)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(tài)隨光強的變化
Cyt-f(B)和P700(C)的還原速率減緩,表明光合調(diào)控導致線性電子傳遞受到抑制