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叶绿素荧光非光化学淬灭颠覆性研究成果(os-5p+新的应用)

撰稿人: 日期:2013-12-20 点击次数:14941

高光化光下多数陆生植物的状态转换将被叶绿素迁移取代 

      直到最近,研究者认为植物从暗适应状态转到高光强水平下,或者从高光强适应状态下转到暗适应状态下,测量叶绿素荧光非光化学淬灭(NPQ)应包含三个基本的机制:qE、qT 、qI。qE可以描述为由类囊体腔的ΔpH和叶黄素循环引起的PSII的快速光保护调节。qE需要几秒到几分钟来调节,并且野外植物趋向于更长的时间(Baker 2008, Murchie 2011, Nilkens 2010)传统的qT被认为是由状态转换引起的。qT需要15 min或20 min,被描述为与qE略微重叠的荧光变异。更长时间的变异与光抑制或qI相关(Ruban 2009)。大量的证据表明淬灭测量中得到的荧光变异qT,在许多陆生植物中,至少在高光强下,该荧光变异很可能是由叶绿体迁移引起的。

状态转换 – 经典概述
  根据经典的状态转换理论,状态转换被认为是植物在低光照强度下的生存机制,其允许PSII和PSI间的光平衡。研究者认为LHCII天线色素三聚物,从PSII迁移至PSI。当他们非常接近或相邻时,该移动从一个类囊体膜迁移到另一个。该移动和反应发生在类囊体膜的基质侧,允许LHCII天线色素用作PSI天线。当去磷酸化时,LHCII天线色素倾向迁移回PSII。结果是在低光强下,移动倾向于PSI,LHCII磷酸化是在任意具有不同光强的下,诱导的状态转换动态调节PSI/PSII激发相对平衡的前提。然而,该过程没有被见证,在富PSII的类囊体膜没有保留。
状态转换 – 最近研究概述
  最近的关于状态转换的概述如下:没有明显的证据支持在基质暴露的PSII类囊体膜实际的LHCII到PSI的运动。在这些情况下,LHCII 磷酸化并没有为PSI收集光能 (Tikkanen 2012) 。只有在基粒类囊体膜的边缘LHCII才按照传统的磷酸化诱导状态转换的观点运动 (Tikkanen 2008)。 Tikkanen 也声明有足够的证据证实经典的状态转换机制并不是唯一的用于2个不同光系统类型间能量平衡方法。也有足够的证据证明LHCII磷酸化通过未知的非光化学淬灭机制联系PSII和PSI 间的光平衡的调节 (Tikkanen 2010)。研究者也注意到,当光强增加时,PsbS蛋白质子化,为PSII将LHCII天线色素转换为耗散态 (Li 2004, Tikkannen 2012)。在低光强水平下,LHCII活性恢复,PSII活性增加。此外,磷酸化被STN7酶和STN8激酶控制,并且他们对立的磷酸酶反而被光强密切控制。这些激酶功能完全与PsbS和叶黄素循环同步 (Tikkanen 2012)。
qZ – 由于未知的长期的叶黄素循环机制
  在2010年, Nilkens与其他研究者使用NPQ拟南芥突变体来确定饱和光下的qT或状态转换对荧光变异的贡献不显著,并且导致暗适应时的淬灭弛豫。此外,样品在中度光照下测试,以排除qI或光抑制对荧光变异的贡献。与qZ相关的变化在30 min完成。因此他们建议在稳定状态下,饱和光环境中,NPQ应该划分为qE、qZ、qI 。
  正如前人的研究所述,qE是在10 s 到200 s框架内的产生和弛豫的过程,并依赖于类囊体腔的ΔpH、PsbS 蛋白和玉米黄质的形成。从100 s到约200 s较长部分的qE受玉米黄质合成的限制。的弛豫调节类囊体腔的ΔpH。
  根据Nilken组的研究,该提及的qZ在10 min 到 30 min的框架内产生。Psbs并不参与qZ,而是完全依赖玉米黄质形成。弛豫依赖于玉米黄质到紫黄质的转换。应该指出该研究组发现了一个看上去与其他qZ结果相矛盾的样品;然而,他们说明那可能是由于相当比例的qE延迟弛豫和非普通的中度范围的荧光弛豫特性。该测试植物是去除玉米黄素的突变体npq1。
  光抑制qI 证明是在30 min后形成并且依赖于光照时间,强度和基因型。在饱和光强下,也发现状态转换qT并非是NPQ的显著贡献者。
qM – 由于叶绿体迁移
  Cazzaniga S, Osto L.D., Kong S-G., Wada M., Bassi R., (2013) 使用多种方法、拟南芥突变体和野生型拟南芥来确定荧光变异,之前认为是状态转换的结果,或最近认为的更长的持续叶黄素循环过程,都是由叶绿体迁移引起的。他们发现,在高光照水平下,叶绿体从细胞的上面移动到侧面, 部分遮挡了其他叶绿体。这已经通过光学显微镜,使用防止高光照后迁移处理的样品验证。他们也发现叶片透射增加,叶片吸收因叶绿体迁移降低。研究断定了光量子吸收降低引起的,这也导致了较低的荧光产额,而不是真正的淬灭过程。 这被认为是另一个保护叶片远离高光强水平避免伤害的过程。他们发现调整和荧光强度变异和的时间尺度反映了之前的qT,但在某些植物中延伸至35 min。叶绿体迁移已经被认知并且研究暂时研究过,在1992年就被Brugnoli提出过,认为叶绿体迁移影响叶绿素荧光。Cazzaniga的论文是第一个提出将叶绿体迁移作为qT和qZ荧光变异的源。
  研究者发现高的白色光化光在诱导的qM光保护功能上要比高的红色光化光上更有效。叶绿体迁移已被证实收到高的蓝色光控制 (Kagawa T. 2001)。使用去除qE (npq4) 的拟南芥突变体进行测试并且去除qE和叶绿体迁移的 (npq4 photo2)的拟南芥突变体及其他突变体也一起测试。此外,使用靶向反向遗传分析 (targeted reverse genetic analysis), 通过创建一系列的影响叶绿素荧光(包括多部分光合器的组成、类胡萝卜素的生成、作为qM源的状态转换)的、覆盖其余机制谱系的双重突变体和三重突变体,消除其他竞争的可能性。
  关于qT被qZ取代,研究发现,使用去除qE和玉米黄质的突变体,qM的量级无改变,但在黑暗处的恢复时间更长。植物均生长在150 μmol· m -2· s -1的光强下 , 测试光强为400 μmol· m -2· s -1和 1200μmol· m -2· s -1。对某些突变体,qM的调整时间可达到35 min。
  Cazzaniga S, Osto L.D., Kong S-G., Wada M., Bassi R., (2013) 观察到去除了状态转换的stn7突变体,具有与野生型拟南芥非常相似的NPQ测量, 对关于拟南芥的qT给出了的强烈的保留意见。
结论及叶绿素荧光的支线:
  将测量qT作为相关的状态转换荧光的观点,在包括拟南芥在内的大量的光合有机体中是很有问题的T。证据表明,之前报道的在淬灭弛豫测量中的qT变化并非由于高光强水平或饱和光化光强下的的状态转换,最新的证据指向了叶绿体迁移和其导致的光量子吸收的降低,至少在陆生双子叶植物中,这才是在光适应下和淬灭弛豫过程中荧光变异的源。
  部分杰出的研究者发现了NPQ部分测量中间组分机制,可能并非在所有的光合有机体中均相同的证据。有可能是在某些单子叶植物内(玉米、大麦和水稻)状态转换和NPQ调节磷酸化间存在某种关系。也有有力的证据表明从状态转换的qT荧光,存在与绿色藻类Chlamydomonas reinhardtii (Depège N., Bellafiore S., Rochaix J-D., 2003)。当前的研究可能会在该领域提供额外的惊喜。
  高光强白光或高光强蓝色光化光是激活qM或叶绿体迁移的的事实表明, 白色光源或高强度蓝色光源和红色光源,而不是使用高光强红色和低光强蓝色光化光源的需求。该新研究表明,当使用低强度的蓝色光源用于叶绿素荧光测量的工艺是可行的。如果没有可靠的光源,ETR 或J、Y(II) 或ΦPSII、 NPQ、gM、CC和qI可均包含测量误差。
  这也可能改变合适暗适应测量的时间,以及在光适应下达到光合稳定状态的时间。直到最近,Maxwell K., Johnson G. N, (2000) 是研究在任意给定光强下最可靠的光合作用环境内最具有远见的文章,他列出了作为20种野生陆地植物,达到稳定光合状态的需求是在15 – 20 min。杰出的研究者,Lichtenthaler (1999) 和 Ruban (2009) 发现对于qT淬灭弛豫的时间也是15 – 20 min。 从Cazzaniga S, Osto L.D., Kong S-G., Wada M., Bassi R., (2013) 得到的新证据表明,暗适应时间和达到光合稳定的时间应该延长,至少在高光强水平下是如此。他们证明叶绿体迁移适应高光强水平和暗适应弛豫需要20 min 到35 min。

注意:
    新的OS5p+叶绿素荧光仪可以根据样品所处环境来选择测量qT、 qZ 和 qM 并直接读出数据。在OS1p和OS5p+中均使用白色光化光源,可获给出高光强蓝色光化光。

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