弱光增加光反應(yīng)蛋白的豐度：高密度種植玉米的蛋白質(zhì)組學(xué)分析

　　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常以高密度種植為基礎(chǔ)，植物經(jīng)常處于上部葉片或相鄰植株形成的弱光環(huán)境下。弱光誘導(dǎo)植物形態(tài)和生理特性變化。形態(tài)上，弱光誘導(dǎo)株高、莖粗、葉片厚度、比葉面積等發(fā)生變化。生理上，弱光影響單位葉面積含氮量、葉綠素含量、光合色素含量以及光合相關(guān)酶活性等發(fā)生變化。

　　這些變化間接或直接抑制了光合作用，不利于作物生產(chǎn)。在玉米生產(chǎn)上，弱光脅迫破壞葉綠體超微結(jié)構(gòu)，降低葉綠素合成，進(jìn)而降低CO₂固定和光合能力。此外，在華北平原地區(qū)的夏玉米生長(zhǎng)后期，日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射的減少嚴(yán)重制約了玉米的生產(chǎn)，表明弱光是夏玉米生產(chǎn)中不可避免的問(wèn)題。

　　山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院生態(tài)課題組在中國(guó)北方黃淮海地區(qū)開(kāi)展夏玉米葉片生理和光合參數(shù)、葉綠素含量、葉綠素快速誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線、葉片氮素含量等生理生態(tài)學(xué)和相關(guān)光合蛋白質(zhì)組學(xué)研究，以探明夏玉米在高密度種植中弱光環(huán)境下的生長(zhǎng)機(jī)制，并使用美國(guó)PP SYSTEMS公司生產(chǎn)的CIRAS-3便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)及英國(guó)Hansatech公司生產(chǎn)的Handy PEA及M-PEA植物效率分析儀測(cè)定了不同處理玉米氣體交換參數(shù)及快速葉綠素誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線。

　　研究結(jié)果“Low light increases the abundance of light reaction pro-teins: proteomics analysis of maize (Zea maysL.) grown at high planting density”發(fā)表在International Journal of Molecular Sciences（IF=5.924）雜志上。

圖1 開(kāi)花后0、10、20、30和40d低密度(LD)、正常密度(ND)和高密度(HD)種植下的玉米葉片生理參數(shù)。(A) 葉片單位面積干重(LMA);(B)葉片總?cè)~綠素含量(Chl（a+b）)和(C)葉片氮含量。

　　增加種植密度顯著降低花后各時(shí)期的葉片單位面積干重（LMA）和葉綠素含量（圖1）。與LD處理相比，ND和HD處理的LMA、葉綠素含量在花后各時(shí)期均顯著下降。葉片含氮量在0-20d也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)但是自花后30 d起密植處理的葉片含氮量逐漸高于LD處理，至花后40 d時(shí)，ND和HD的葉片含氮量分別比LD處理顯著提高14.1%和4.1%。

圖2 不同光強(qiáng)下玉米葉片氣體交換參數(shù)的變化

　　隨著葉片衰老，3個(gè)種植密度下玉米葉片的凈光合速率（P_n）總體上均呈下降趨勢(shì)，同時(shí)出現(xiàn)氣孔導(dǎo)度（G_s）下降的趨勢(shì)，而胞間CO₂濃度（C_i）則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這表明，不同密度夏玉米葉片P_n下降是由非氣孔限制引起的。在強(qiáng)光（1600 mmol m^-2s^-1）下，LD處理的葉片凈光合速率（P_n）隨著葉片衰老逐漸下降，而ND和HD處理的葉片P_n則先上升后下降，均在花后10 d達(dá)到最大值（圖2 A-C）。增加種植密度顯著降低了開(kāi)花前期的葉片P_n，顯著增加了開(kāi)花中后期的葉片P_n。ND處理的增幅最大。弱光（300 mmol m^-2s^-1）下的變化趨勢(shì)與強(qiáng)光下的相同（圖2 D-F）。但HD處理的增幅最大。

表1 不同處理玉米葉片通過(guò)光強(qiáng)-光合響應(yīng)曲線獲得的參數(shù)

　　表1是根據(jù)光合響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合獲得的相關(guān)參數(shù)。各參數(shù)值的變化受到種植密度和生育時(shí)期的共同影響?；ê?-20 d，ND和HD處理的Amax均顯著低于LD處理，而在花后30 d和40 d則分別顯著提高29.1%、45.8%。與之不同的是，密植處理的Rd在花后各時(shí)期均按照LD＞ND＞HD的順序下降。

　　作為反映葉片對(duì)弱光利用效率的指標(biāo)，AQE在花后0 d 和10 d的最大值分別出現(xiàn)在LD和ND處理，而從花后20 d起，便按照LD＜ND＜HD的順序增加。此外，雖然LCP和LSP在花后0 d的最大值均出現(xiàn)在ND處理，但是花后10-40 d的LCP和LSP總體上均按照LD＞ND＞HD的順序下降。

圖3 不同處理玉米葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線

　　在對(duì)數(shù)時(shí)間尺度上，所有處理下玉米葉片的葉綠素?zé)晒饩S誘導(dǎo)時(shí)間快速上升，呈現(xiàn)出典型的OJIP瞬態(tài)變化。雖然隨著葉片衰老，同一處理的OJIP曲線相似，但是明顯可以看出與花后0 d的差異。

　　為了可視化和分析整個(gè)誘導(dǎo)時(shí)間內(nèi)的差異變化，將各處理轉(zhuǎn)換為振幅變化曲線。與花后0 d相比，除了ND處理花后20 d的I-P段，同一種植密度自花后10 d起在O-P段均表現(xiàn)出正的DV_t值。正的DVt值，表明較低的電子傳遞效率，負(fù)值則相反。增密處理的DV_t值在開(kāi)花中后期（20-40 d）顯著下降，表現(xiàn)為ND＜HD＜LD。

　　這表明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加種植密度會(huì)緩解生育后期PSII的受損程度而不是抑制。

圖4  不同密度處理花后各時(shí)期的玉米葉片模型

　　花后0 d發(fā)現(xiàn)吸收能量（ABS/CS）、捕獲能量（TR/CS）、電子傳遞（ET/CS）、熱耗散（DI/CS）和活性反應(yīng)中心的百分比（RC/CS）均隨著種植密度的增加而顯著增加，均在HD處理達(dá)到最大值。

　　花后10 d時(shí)，這些指標(biāo)的最大值均出現(xiàn)在ND處理；此外，相較于LD處理，HD處理中發(fā)現(xiàn)僅ET/CS和RC/CS顯著提高而ABS/CS、TR/CS和DI/CS的值均與LD處理相似。自開(kāi)花20 d起，能量通量參數(shù)均表現(xiàn)出相似的變化，即最大值出現(xiàn)在ND處理，其次是HD處理，最小值出現(xiàn)在LD處理。從能量通量的總體結(jié)果來(lái)看，RC/CS和ET/CS是變化最大的參數(shù)。

圖5 不同處理玉米葉片熒光參數(shù)雷達(dá)圖

　　雷達(dá)圖結(jié)果表明，在花后各時(shí)期，密植處理與低密度處理具有相似的jP_o，這在一定程度上表明弱光脅迫對(duì)PSII光化學(xué)效率并沒(méi)有顯著影響。然而，很明顯的觀察到了種植密度對(duì)電子傳遞系統(tǒng)的影響，這一影響體現(xiàn)在W_k、V_j、Y_o、jE_o和 jR_o這些與電子傳遞有關(guān)的參數(shù)上。且發(fā)現(xiàn)密植對(duì)PSI電子傳遞效率的提升效果高于PSII的。花后各時(shí)期的dR_o均表現(xiàn)為ND＞HD＞LD處理，ND處理均達(dá)顯著差異，而HD處理僅在花后0 d達(dá)到顯著差異。

　　花后各時(shí)期的PI_abs和PI_total均表現(xiàn)為ND＞HD＞LD。與LD處理相比，增密處理葉片的光系統(tǒng)協(xié)調(diào)性（F_(PSI/PSII)）在花后0-20 d均顯著提高，而花后30和40 d只有ND處理的F_(PSI/PSII)顯著高于LD處理，而HD與之差異不顯著。綜上表明，增加種植密度有利于促進(jìn)PSII 和PSI 之間電子傳遞鏈通量。

圖6 光誘導(dǎo)光合機(jī)構(gòu)中差異豐富蛋白質(zhì)（DAPs）水平的變化

　　電子不斷穿梭于去鎂葉綠素（Phe）和質(zhì)體醌分子QA和QB之間，然后輸送到位于PSII和PSI之間的葉綠體細(xì)胞色素b₆f復(fù)合物（Cytb₆f）。在應(yīng)激條件下，Cytb₆f相關(guān)蛋白的表達(dá)可以增加。在ND和HD葉片中，PetA、PetD、PetF和PetJ的豐度高于LD葉片。這些蛋白質(zhì)的高豐度可能構(gòu)成一種協(xié)調(diào)策略，從而確保高效的電子傳輸，并在密集種植條件下與上游代謝保持聯(lián)系。

　　文章最后，作者作出如下總結(jié)：密植玉米植株可以通過(guò)提高光利用效率和減少光合產(chǎn)物的消耗來(lái)適應(yīng)弱光，這反映在較高的AQE和較低的Rd和LCP上。與根系表型變化導(dǎo)致的養(yǎng)分和水分吸收利用效率降低相比，盡管密植玉米的葉片形態(tài)和生理性狀發(fā)生了顯著變化，但在弱光下，光利用效率顯著提高。

　　此外，研究結(jié)果還顯示了利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及相關(guān)蛋白質(zhì)作為植物光脅迫指標(biāo)的潛力，這可以為開(kāi)發(fā)適合集約化農(nóng)業(yè)的栽培條件和玉米品種提供技術(shù)支持。