Dual-PAM-100│耐高光藻类的光保护机制可以不依赖NPQ

2024-11-12 09:39:43 198阅读次数

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非光化学淬灭(NPQ)对于保护植物、藻类和蓝藻的光合作用免受光抑制至关重要，而调节这种机制是提高光合作用和作物产量的长期目标。然而最新的一项研究表明，小球藻(Chlorella ohadii)作为一种在沙漠中可以茁壮成长的绿藻，它在持续强光下既不执行也不需要NPQ来保护光合作用。它不是通过耗散多余的能量来进行光保护，而是通过消除光系统Ⅱ的光合天线来最大限度地减少能量吸收。此外，它还积累抗氧化剂，以中和有害的活性氧(ROS)，并增加PSI周围的循环电子流。事实证明，这些不依赖于NPQ的反应能有效防止ROS的积累，并减少高光生长细胞中蛋白质的氧化损伤。相关的研究结果于2024年11月9日发表在Plant Physiology杂志上，标题为Processes independent of nonphotochemical quenching protect a high-light-tolerant desert alga from oxidative stress。

光照是光合作用的能量来源，但同时也可能对光合系统造成损害。光合作用过程中，过高光照会促进活性氧种(ROS)的生成，这些ROS会损伤光合蛋白抑制光合作用，这种现象被称为光抑制。在光合作用中，单线态氧(¹O₂)和超氧阴离子(O₂^?-)是两种主要的有害ROS。为了解毒这些ROS，光合生物采取了不同的机制。O₂^?-可以通过一系列酶促反应中和，而¹O₂则通过化学方法清除。已知的¹O₂淬灭剂包括类胡萝卜素、生育酚、脂肪酸和抗坏血酸。此外，植物、藻类和蓝藻利用各种机制来预防ROS的生成，通过淬灭叶绿素激发态来阻止能量转移到氧气。在强光条件下，非光化学淬灭(NPQ)机制对于光合作用的保护(光保护)至关重要，它通过将多余的吸收光能无害地转化为热能。NPQ的主要组成部分qE位于光系统Ⅱ(PSⅡ)的主要光捕获复合体(LHCⅡ)内，并通过光合电子传递导致的类囊体腔酸化来激活。通常，qE是绿色谱系中最强且最快速触发的NPQ组分。在高光合活动期间，由于线性和循环光合电子流(LEF和CEF)的联合作用，质子跨类囊体膜的转运导致类囊体腔酸化。植物和藻类中的光系统Ⅱ亚基S(PsbS)和光捕获复合体应激相关(LhcSR)分别作为质子传感器，当腔室酸化时，它们诱导qE将多余的能量以热能的形式耗散。同时，激活叶黄素循环，新形成的玉米黄质与PSⅡ-LHCⅡ叶绿素池相互作用，提供了能量耗散的途径。

小球藻是一种在沙漠中生长的绿藻，经常暴露在极高的光强度下，因此对光抑制具有高度耐受性。小球藻对过量光的适应涉及类囊体含量的显著变化，其中最明显的是LHCⅡ的减少，以及类胡萝卜素和几种光保护蛋白的大量积累。在高光(HL)条件下生长的小球藻不会经历状态转换，这是PSⅡ和PSI之间天线交换的机制，也是NPQ的一个功能组分(qT)。此外，小球藻也缺乏编码LhcSR蛋白的基因，也不积累PsbS蛋白，这表明缺乏qE。有趣的是，与LHC类似蛋白家族相关的类胡萝卜素生物合成相关蛋白(CBR)，其结构与PsbS相似，在HL条件下生长的小球藻中大量积累。结构建模表明，PsbS的一个质子感应谷氨酸在CBR中得到了保留，这引发了它在腔室酸化感应中可能的作用。此外，通过蔗糖密度梯度离心对光合蛋白复合体进行分级，显示HL细胞中的CBR与脱离的LHCII和类胡萝卜素共定位，这两者都与NPQ和ROS清除相关。鉴于LHCⅡ是NPQ的主要场所，其消除和缺乏LhcSR引发了对qE调节贡献的疑问，需要进一步研究小球藻的光保护模式。

在最新的这项工作中，研究了PSⅡ天线减少对HL适应的贡献，以及NPQ和CEF在小球藻中ROS积累和氧化损伤之间的相互作用。研究表明，qE实际上不存在，它在 HL条件下生长的小球藻细胞中被不依赖NPQ的光保护所取代。这种机制主要依赖于限制光吸收，而不是允许能量耗散。它与PSI周围的CEF显著增强以及CBR、类胡萝卜素和其他抗氧化剂的大量积累同时耦合，功能上减少了ROS的积累。因此，适应在极高光强度下生长的小球藻采用了主动和被动的光抑制抗性机制。本研究证明了NPQ不是抵抗HL条件下过量光照的必要条件，并且在长时间暴露于HL强度的条件下，最小化PSII-LHCII吸收截面和ROS产生，同时最大化抗氧化剂活性，已被选为减少光抑制的最成功策略。

本研究中，小球藻光合电子传递速率，NPQ和P700氧化还原均通过双通道调制叶绿素荧光仪Dual-PAM-100测量完成。

部分实验结果

图1 高光条件下小球藻的适应性变化。A)通过质谱分析比较低光和高光培养细胞中已知酶促抗氧化剂和CBR的积累。B)检测到的抗氧化剂和其他相关酶的列表。C)检测到的氧化肽段，作为氧化损伤的标志。

图2 高光培养的小球藻PSII天线尺寸显著减小。A)低光和高光培养细胞的类囊体膜通过蔗糖密度梯度分离的结果。B)测量QA还原速率来估算PSⅡ天线尺寸。C)PSⅡ吸收能力的比较。D)在不同光照强度下测量PSⅡ电子传输速率(ETRⅡ)。

图3 小球藻表现出几乎没有保护性NPQ。A)低光培养和高光培养的小球藻细胞在2000 μmol photons m^-2s^-1下的荧光痕迹。B)从荧光痕迹中计算NPQ值。C)在小球藻中NPQ由高光和类囊体腔酸化触发，但在小球藻中不触发。

图4 高红光处理下高光培养的小球藻中¹O₂积累减少。A) 低光和高光培养细胞的共聚焦显微镜视野。B) ¹O₂ SOSG信号的定量。C) ¹O₂形成图。D) LL和HL培养细胞在强光照射后^-O₂和H₂O₂的积累。E)从LL和HL培养细胞中分离的LHCII复合体中¹O₂积累的测量结果。

图5 小球藻中¹O₂产生的动力学。A)低光和高光培养细胞在共聚焦显微镜中¹O₂的检测。B) SOSG积累的定量结果。

图6 P700氧化还原测量表明高光适应的小球藻中循环电子流效率显著增加。A)高光培养的小球藻中光系统I(PSI)和光系统II(PSII)的天线变化。B) 暗适应细胞的P700氧化动力学分析。C)高光培养细胞中PGR5、PGRL1和Fd的积累，而LL培养细胞中FNR的积累。

图7 小球藻不需要NPQ进行光保护。A)在低光条件下，线性电子流活性高，产生的活性氧种类(ROS)较少。B)在转移到高光条件下时，PSII和其天线LHCII产生大量ROS。C)为了避免光诱导的氧化损伤，高光培养的小球藻消除了部分LHCII，大幅减少了过多光能的吸收。

原文

Levin G., et al. Processes independent of nonphotochemical quenching protect a high-light-tolerant desert alga from oxidative stress[J]. Plant Physiology, 2024, kiae608.

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