德國慕尼黑大學的科研人員，通過Imaging-PAM葉綠素熒光成像系統(tǒng)，闡釋了植物光保護機制與生物量積累之間深刻而復雜的關系。研究表明，加快光保護機制反而限制了擬南芥在波動光下的生物量積累，未能重現(xiàn)該策略之前在煙草上的成功。文章認為，改變光保護對植物生產性能（包括產量）的影響需要在其他（模式）物種中重現(xiàn)，然后才能被視為提高作物生產力的廣泛有效策略。作者預計僅增強光合作用不足以提高作物產量，還需要同時提高其源庫能力。文章發(fā)表在Nature Plants上。

更快的光保護作用有可能增加生物量的積累。事實上，在煙草VPZ株系中，三種光保護蛋白的平行過度表達已經實現(xiàn)了這一點。為了探索這種方法的應用范圍，我們構建了擬南芥VPZ株系。這些株系的光保護作用更快，但在波動光照下生長速率和生物量積累受到抑制。這意味著該策略可能會干擾控制激發(fā)能量分布的其他機制，或干擾源-庫關系或質體信號。

植物的生物量生產和作物產量依賴于光合作用過程中光能向化學能的轉化，但過多的光會破壞光合機構。為了避免這種情況，開花植物已經進化出了一種光保護機制，使它們能夠通過所謂的非光化學猝滅（NPQ）機制將多余的激發(fā)能量作為熱量散發(fā)出去。NPQ水平與類囊體蛋白PsbS含量呈正相關。調節(jié)NPQ水平的第二個組成部分是葉黃素循環(huán)，在這個循環(huán)中，紫黃質和玉米黃質分別通過紫黃質脫環(huán)氧化酶（violaxanthin deepoxidase, VDE）和玉米黃質環(huán)氧化酶（zeaxanthin epoxidase, ZEP）可逆地相互轉化。事實上，NPQ的誘導是由VDE催化的玉米黃質的產生來刺激的，而當光照強度再次降低時，NPQ的弛豫是恢復高光合速率所必需的，它依賴于通過ZEP提高玉米黃質轉化為紫黃質的速率。

原則上，那些能夠更快地降低NPQ的植物也應該能夠更快地重建高光合作用速率，從而提高生產力。最近，這一概念在葉黃素循環(huán)加速和PsbS水平增加的煙草植株中得到了驗證，這些植物被設計成同時過度表達VDE、ZEP和PsbS蛋白。正如計算機模擬所預測的，在波動光照下，得到的VDE-PSBS-ZEP（VPZ）株系表現(xiàn)出增加了葉片二氧化碳吸收和植物干物質生產力。由于葉黃素循環(huán)和PsbS在所有開花植物中都是保守的，因此該生物工程案例研究被提議代表提高糧食作物生產力策略的概念證明。

為了測試在煙草以外的物種中是否能以這種方式提高生長和生物量，我們將煙草中使用的結構引入到模式開花植物擬南芥（以下簡稱擬南芥；見方法）。在得到的轉基因植株中測定了VDE、PSBS和ZEP的轉錄水平，并選擇了三個轉基因表達量最大的獨立轉基因擬南芥VPZ株系（圖1a）。免疫印跡分析顯示，VDE、PsbS和ZEP的累積量分別為野生型（WT）濃度的5.2倍、2.4倍和5.1倍（圖1b）。這些過表達水平明顯低于煙草VPZ系（分別為30倍、4倍和74倍），但轉基因產物水平之間的比率是可比較的，并且在先前觀察到明顯效果的范圍內（例如參考文獻10中2.7倍的PsbS過表達明顯改變了煙草的水分利用效率）。

圖1 VDE、PsbS和ZEP在擬南芥VPZ株系中的表達

a、從4周齡WT（Col-0）和三個獨立的VPZ株系（nos.2，4，7）中分離總RNA，并以ACT2為參照物，用qPCR法定量ZEP、VDE和PSBS轉錄水平。數(shù)據(jù)表示為n=5個獨立植物的平均值±標準差（用圓圈表示），并根據(jù)雙尾t檢驗顯示與Col-0相比的s.d.值（P≤0.05）。b、用SDS-PAGE分離從a中提取的總蛋白的小份（20μg）并使用特定抗體進行免疫印跡。從三個實驗的代表性印跡，平均值±s.d.的帶強度。
 

圖2  擬南芥VPZ株系表現(xiàn)出增強的光保護動態(tài)
 

a、波動光下NPQ的加速誘導和弛豫。在標準條件（見方法）下生長的4周齡WT（Col-0）植物和三個獨立的擬南芥VPZ系（2號、4號、7號）進行暗適應 20分鐘，并暴露在波動光下（FL2: 50 μmol m⁻² s⁻¹下6個周期5分鐘，500 μmol m⁻² s⁻¹下1分鐘）。用Imaging-PAM熒光成像系統(tǒng)測定了PSII（ΦII）和NPQ的有效量子產率。點代表n=8個獨立實驗的平均值，根據(jù)雙尾t檢驗（P≤0.05），三條線的統(tǒng)計差異用星號（*）表示。b、黑暗條件下NPQ的松弛。在a中所示的實驗之后，立即將植株轉移到黑暗中，以5 s的分辨率記錄5分鐘的NPQ，并將其歸一化為初始值。點表示n=5個獨立實驗的平均值，而直線表示雙指數(shù)模型的最佳擬合。c、穩(wěn)態(tài)和波動光（FL3）條件下ΦII和NPQ的變化過程。從擴展數(shù)據(jù)圖2中所示的光響應曲線的三個初始值導出值。數(shù)據(jù)表示為n=7個獨立實驗的平均值±標準差（用圓圈表示），并指出根據(jù)雙尾t檢驗（P≤0.05）得出的WT的統(tǒng)計差異。
 

圖3 擬南芥VPZ株系的生長和生物量積累

a、具有代表性的4周齡WT（Col-0）和三個獨立的VPZ植物（2號、4號、7號）的圖像，它們要么生長在溫室（GH）中，要么生長在12小時的光照下（125 μmol 光子 m⁻² s⁻¹）/12 h暗周期（CL）或12 h波動光（50 μmol 光子 m⁻² s⁻¹，持續(xù)5分鐘，接著是500 μmol 光子 m⁻² s⁻¹，持續(xù)1分鐘）/12小時暗循環(huán)（FL2）。比例尺，1厘米。b、 c，對一組植物的蓮座直徑（b）和鮮重（c）進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)為GH（b，c）和CL（b）的n=3個獨立實驗的平均值±標準差，F(xiàn)L2（b）和CL和FL2（c）的n=4，并用圓圈表示。用雙尾t檢驗（P≤0.05）與WT有統(tǒng)計學差異。

擴展數(shù)據(jù)圖1 擬南芥 VPZ株系顯示了在波動光域FL1下光保護的增強動態(tài)

實驗如圖2a所述進行，但應用了波動光區(qū)域FL1（在50 μmol  m⁻² s⁻¹下3 min和在500 μmol m⁻² s⁻¹下3 min的6個周期）。點代表n=8個獨立實驗的平均值，根據(jù)雙尾t檢驗（P≤0.05），WT的三條線（編號2、4和7）的統(tǒng)計差異用星號（*）表示。
 

擴展數(shù)據(jù)圖2  電子傳遞速率（ETR）和NPQ響應穩(wěn)態(tài)或波動光狀態(tài)

a、穩(wěn)態(tài)（左）或波動光（FL3）（右）響應曲線的設計。b、 c，電子傳輸速率（ETR），單位為μmol，（b）和NPQ（c）在4周齡野生型（WT）和3個獨立的VPZ株系（2號、4號和7號）。點代表n=7個獨立實驗的平均值。根據(jù)雙尾學生t檢驗，WT的標準差和統(tǒng)計差異的相應數(shù)據(jù)可以作為源數(shù)據(jù)。

由于相關研究內容非常專業(yè)，難免有些理解不準確或者編輯整理的疏漏，請以英文原文為準。

全文閱讀：
Garcia-Molina, A., Leister, D. Accelerated relaxation of photoprotection impairs biomass accumulation in Arabidopsis. Nat. Plants 6, 9–12 (2020).

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