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高等植物光合作用中的激发能分配及光破坏防御机制

姜闯道  
【摘要】: 通过气体交换、叶绿素荧光和高效液相色谱技术,以及抑制剂引入和缺素材料培养等方法研究了:光系统II反应中心失活对光系统II天线调节的影响;抑制天线调节后,激发能在两个光系统之间的分配和光合活性的变化;以及通过不同缺素(缺铁、缺锰)培养阻断光合电子传递后,激发能捕获、分配和光破坏防御机制的变化。 通过实验得出如下主要结果: 1.链霉素(SM,叶绿体基因编码蛋白的抑制剂)处理玉米叶片阻断D1蛋白周转后,与对照相比,强光下SM处理叶片的最大光化学效率(Fv/Fm)降低,且弱光下不能完全恢复,同时光系统II活性(1/Fo-1/Fm)和电子传递速率(ETR)显著下降。而且,SM处理叶片的非光化学猝灭(NPQ)和叶黄素循环的脱环氧化水平增加。但是,NPQ的主要组分高能态(qE)猝灭则减小;光抑制组分(qI)增加。用1/Fo-1/Fm代表PSII反应中心的活性对qE、qI作图,观察到反应中心活性降低到一定程度时强烈地抑制依赖叶黄素循环的高能态猝灭。推测高能态猝灭的降低可能与反应中心活性下降导致的电子传递速率降低有关。 2.将二硫苏糖醇(1,4-dithiothreitol DTT)引入叶片抑制紫黄质的脱环氧化,观察到,DTT处理没有伤害叶片的最大天线转化效率(Fv/Fm),但光下叶绿素荧光降低比率(Rfd)下降;强光下DTT处理叶片开放反应中心激发能捕获效率(Fv'/Fm')比对照高30-40%,光化学猝灭系数(qP)比对照叶片低约40%;强光下DTT处理叶片分配给PSI的激发能比对照叶片低约30%,分配PSII的激发能比对照叶片高20%左右,激发能分配严重偏离平衡状态;DTT处理叶片PSII的激发能压力(1-qP)较对照高,但非光化学猝灭明显比对照低;进一步的实验揭示DTT引入不仅完全抑制了玉米黄质(Z)的生成, WP=9 还抑制了状态转换(qT)。据此,认为DTT可能通过抑制天线色素的调节能力导致两光系统之间激发能分配的失衡,进而使DTT处理光合活性下降。 3.铁元素作为光系统I和光系统II复合物必需的辅助因子,其缺乏导致大豆、玉米叶片光合能力大幅下降。充分暗适应的缺铁叶片其荧光诱导曲线中有一个明显的K点;最大光化学效率(φpo)降低,但下降幅度较小;捕获激发能的电子转化效率(ψo)和光系统II电子传递的量子效率(φEo)大幅下降;而且缺铁叶片每个反应中心的光能吸收和激发能捕获增加,但每个反应中心的光合电子传递下降,于是使每个反应中心的激发能耗散增加。稳态光合条件下,显著降低天线转化效率(Fv'/Fm')、光化学猝灭系数(qP)和光系统II电子传递量子效率(ΦPSII),而非光化学猝灭(NPQ)明显增加。因此,认为活体叶片中铁缺乏不仅伤害光系统II复合物供体侧的放氧复合物(OEC),而且还导致光系统II受体侧QA向QB的电子传递受阻,从而影响了激发能的分配。 缺铁叶片光合速率的大幅度下降可能不是色素含量降低的结果;充分暗适应的缺铁叶片的荧光诱导曲线表明缺铁叶片失活的光系统II反应中心达75%以上;每个反应中心的光能吸收和激发能捕获增加,但是每个反应中心的光合电子传递下降,于是致使每个反应中心的激发能耗散增加,这可能是导致光合速率下降的主要因素。而且,强光下,缺铁叶片的天线转化效率比正常叶片低,用于光化学反应的激发能很少,缺铁叶片激发能耗散增加。通过抑制剂处理和叶黄素组分的分析,认为在耗散过剩激发能的过程中,缺铁叶片充分启动了叶黄素循环。 缺铁及对照叶片由暗处突然转入强光下的叶绿素荧光猝灭动力学曲线有着明显的差异。突然暴露在强光下后,对照叶片天线转化效率迅速下降,减少激发能捕获,在6分钟左右已达到最低值,对照叶片也在6分钟左右非光化学猝灭达到最大值;而缺铁叶片的天线转化效率下降相当缓慢,在14-18 min左右才达到最低值,缺铁叶片的非光化学猝灭也在16分钟左右达到峰值。这与缺铁叶片在照光过程初期叶黄素脱环氧化水平较对照叶片低是一致的。此外,光合启动过程中铁缺乏叶片PSII的开放程度(qP)和实际光化学效率(ΦPSII)都增加很少,远远低于对照。检测发现缺铁叶片抗坏血酸的含量明显低于对照,向缺铁叶片中引入20 mM的还原型抗坏血酸溶液后,叶片在照光过程初期叶黄素脱环氧化水平迅速增加,荧光动力学分析表明缺铁叶片非光化学猝灭的启动也加快。根据以上数据推测缺铁叶片中低的抗坏血酸含量可能限制了紫黄质脱环氧化酶的活性,进而导致非光化学猝灭启动的减慢。 4.锰是光系统II放氧复合物(OEC)的必需组分,锰缺乏导致叶片光合速率比对照低50%左右。缺锰叶片的Fv/Fm较对照低约30%-40%,而Fo比对照高2-3倍左右。强 光下,缺锰叶片的qP为对照的50%。缺锰降低了叶片的高能态猝灭(qE),仅占其NPQ WP=10 的60%左右;而对照qE组分占NPQ的90%左右。对照和缺锰叶片叶黄素库的脱环氧化程度分别为36%和21%左右。因此,认为缺锰叶片qE的降低可能是由于叶黄素脱环氧化程度减少所致。 进一步的实验揭示,锰缺乏严重影响了荧光诱导曲线,出现一个明显的K点;J点相对荧光产量(Vj)增加。光下,缺锰大豆叶片PSII量子效率(ΦPSII)、电子传递速率(ETR)、天线转化效率(Fv'/Fm')和光化学猝


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