近日，德美科學(xué)家運(yùn)用差示吸收、葉綠素?zé)晒?/strong>和氣體交換測量技術(shù)在國際頂級刊物《Plant Cell》上在線發(fā)表了最新研究成果。該研究通過分子生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建突變體，然后結(jié)合高級氣體交換測量系統(tǒng)GFS-3000、雙通道PAM-100測量系統(tǒng)Dual-PAM-100、以及動(dòng)態(tài)LED陣列差示吸收光譜儀KLAS-100等尖端光合生理研究設(shè)備，對突變體光合作用的光反應(yīng)、暗反應(yīng)、電子傳遞、跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢，電子傳遞體的活性等進(jìn)行了直接全面的測定和分析。為研究結(jié)果提供了可靠的直接證據(jù)支持，并在國際頂級刊物《Plant Cell》發(fā)表。這項(xiàng)研究代表了光合生理最新研究動(dòng)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(yán)格控制ATP酶和細(xì)胞色素b6f復(fù)合體的量。雖然細(xì)胞色素b6f復(fù)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(zhuǎn)基因技術(shù)抑制細(xì)胞核編碼的γ亞基(AtpC)的合成，同時(shí)通過葉綠體轉(zhuǎn)基因技術(shù)對葉綠體中atpB基因(編碼β亞基)的起始密碼子進(jìn)行點(diǎn)突變來抑制ATP酶的合成。兩種策略所得轉(zhuǎn)基因植株中ATP酶的含量可降至野生型的100到<10%。結(jié)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(xì)胞色素b6f復(fù)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(yán)重抑制。另外，非光化學(xué)淬滅在很低的光強(qiáng)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(dòng)力勢升高，導(dǎo)致類囊體腔過度酸化，從而誘導(dǎo)了光合調(diào)控及位于天線的激發(fā)能耗散，最終導(dǎo)致了光合的下降。
研究中用到的主要儀器(點(diǎn)擊鏈接可查看詳細(xì)信息)：
光合氣體交換及葉綠素?zé)晒馔綔y定：GFS-3000 +3055FL熒光附件
質(zhì)子動(dòng)力勢pmf測定：KLAS-100
葉綠素?zé)晒?、PSI差示吸收和PC的測定：標(biāo)準(zhǔn)版Dual-PAM-100和特殊版DUAL-PAM(PC和P700同步測量)
參考文獻(xiàn)：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(qiáng)(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(guān)。
(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(qiáng)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(zhuǎn)基因植株天線結(jié)構(gòu)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(guān)系
(B) 同化速率(基于單位葉面積)與ATP酶活性(gH+)的關(guān)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(guān)系
圖5. ATP酶含量下降導(dǎo)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(qiáng)的響應(yīng)，由ECS信號(hào)在光暗轉(zhuǎn)換時(shí)的最大振幅(ECST)得到。
(B) Pmf的組分ΔpH和ΔΨ對不同光強(qiáng)的響應(yīng)。根據(jù)慢馳預(yù)動(dòng)力學(xué)中由相反離子通過類囊體膜的ECS的比例求得(ECSinv)，與ECST有關(guān)。在GTG-atpB及反義株系中，總pmf大幅增加，特別是在低光強(qiáng)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(cè)過度還原，以及ATP酶減少加速誘導(dǎo)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(yán)重抑制了線性電子傳遞。
(B) PSII受體側(cè)的氧化還原狀態(tài)(qL). 隨著光強(qiáng)升高，PSII受體側(cè)逐漸下降。需注意強(qiáng)反義株系和GTG-atpB在低光強(qiáng)下即表現(xiàn)這種效應(yīng)。
(C) 非光化學(xué)淬滅(qN). 反義株系和GTG-atpB在較低光強(qiáng)下qN即開始升高，這導(dǎo)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(qiáng)的供體側(cè)氧化態(tài)隨光強(qiáng)的變化
Cyt-f(B)和P700(C)的還原速率減緩，表明光合調(diào)控導(dǎo)致線性電子傳遞受到抑制
