[科研前线│M-PEA]小麦旗叶光合电子传递对黑暗诱导衰老的差异敏感性

[科研前线│M-PEA]小麦旗叶光合电子传递对黑暗诱导衰老的差异敏感性

冬小麦旗叶的延迟衰老与光合作用持续时间及籽粒产量密切相关。在衰老过程中，光合机构各组分的损伤模式因品种而异，但此前研究因样本量有限，难以揭示不同品种间电子传递损伤的规律及成因。

近期，河南省农业科学院小麦研究所李向东团队在学术期刊BMC Plant Biology发表了题为“Differential Sensitivity of Photosynthetic Electron Transport to Dark-Induced Senescence in Wheat Flag Leaves”的研究论文。文章通过对32个冬小麦品种的旗叶进行黑暗诱导衰老实验，揭示了光合电子传递链不同组分对衰老的响应机制。

 文章中使用英国Hansatech公司生产的多功能植物效率分析仪M-PEA测定了32个小麦品种（表1）的快速叶绿素a荧光（PF）、延迟叶绿素a荧光（DF）和调制820 nm光反射（MR），分析了光合电子传递链各部分在黑暗诱导衰老过程中的变化。  

表1 本研究中使用的小麦品种

表2 快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的参数及公式

作者首先测定了黑暗处理2天和4天后32个小麦品种旗叶的SPAD值。所有品种的SPAD值随黑暗处理时间延长而下降。根据SPAD值下降速率，采用K-means聚类法将32个品种分为3组（表3）。其中，G3组叶绿素降解最快（4天内SPAD下降约 68%），G1组最慢（下降约35%）（表3，图1A）。

表3 不同处理时间下小麦品种的SPAD值

图1 不同黑暗处理时间下小麦品种旗叶的平均SPAD值

作者对三组小麦的PF曲线进行平均后发现，在黑暗处理下，三组小麦的O点（初始荧光）随衰老而升高，且G3组O点增幅最大（图2A,C,E）。标准化处理后，J点和I点在G2、G3组显著升高，且随处理时间延长差异增大，表明受体侧电子传递受到抑制，尤其是快衰品种（图2B,D,F）。对荧光数据进一步归一化处理后，发现L点和K点均随黑暗处理时间的延长而增大，且在衰老较快的小麦品系中上升幅度更为明显（图3），说明PSII供体侧的稳定性和PSII反应中心的能量偶联与小麦品种的衰老速率密切相关。

图2 三个小麦品种组旗叶的叶绿素a快速荧光（PF）瞬变

图3 黑暗处理期间三组小麦旗叶的O-K带和O-J带

为了定量分析不同衰老速率的小麦品种在黑暗处理期间光合传递链的不同响应，作者进行了JIP test（表2）。其中，φDo和Mo随黑暗处理时间延长逐渐升高；φPo、φEo、φRo、PI total、RC/CSm等随黑暗处理时间延长显著降低，反映PSⅡ光化学效率、电子传递能力及PSI受体侧活性均随衰老进程而下降。其中，G3组参数变化幅度最大（图4）。

图4 黑暗处理不同持续时间下三组小麦品种旗叶的叶绿素OJIP曲线衍生参数

作者进一步测量了不同小麦组的820nm光反射（MR）诱导曲线，并计算了相关参数VOX，VRED和∆MR/MR0。随黑暗处理时间延长（D0→D2→D4），MR参数VOX（PSI氧化速率）和VRED（PSI还原速率）均显著下降，G3组尤为明显，表明PSI的氧化-还原循环效率降低，电子传递链功能受损（图5）。

图5 不同小麦组（G1、G2和G3）在不同黑暗处理时间下的820 nm调制反射动力学（MR）（A、B、C）及相关参数（D、E、F）

延迟荧光（DF）可以作为PF和MR的有效补充，进一步明确光合电子传递不同阶段的活性变化。DF诱导曲线从初始最小值（D0）增加到最大值（I1），然后下降到第二个最大值（I2），最后达到平稳状态（D2）（图6A-C）。其中I1和I2随黑暗处理时间的延长而降低，黑暗处理4天后I2/I1比值升高，表明PSII供体侧电子传递限制加剧（图6D-F）。

图6 三组小麦品种在不同黑暗处理时间下的叶绿素a延迟荧光（DF）

为研究叶绿素降解速率对黑暗处理下光合电子传递链不同阶段衰老敏感性的影响，作者分析了G1、G2和G3小麦群体的叶绿素荧光参数。结果表明，在G1中，能量吸收和传递参数（φPo、ψEo、δRo）的敏感性依次增加，而在G2和G3中，φPo和ψEo的下降速度比δRo快，且在G3中ψEo比δRo更敏感。延迟荧光（DF）参数I1和I2显示，在G2和G3中，尤其是G3，黑暗诱导的I1变化比I2更明显。将参数标准化至G1后发现，与PSII相关的参数组间差异大于与PSI相关的参数，这表明PSII对黑暗诱导的衰老比PSI更敏感，且敏感性与叶绿素降解速率密切相关（图7）。  

图7 不同品种组的不同参数对黑暗诱导衰老的敏感性

综上所述，作者将32个冬小麦品种按叶绿素降解速率分为三组，通过同步测量PF、DF和MR，发现黑暗诱导衰老会损伤PSII供体侧、反应中心、受体侧及PSI，且电子传递敏感性从PSII受体侧上游至下游递增，其损伤程度与叶绿素降解速率一致。其中PSII相关参数对衰老的敏感性高于PSI，三种信号结果相互印证，推测电子传递过程对叶绿素降解速率的差异响应是影响小麦光抑制差异的重要因素。为未来培育抗衰老小麦品种提供了理论基础，对保障小麦产量稳定、提高粮食安全具有重要意义。