DUAL-KLAS-NIR在水稻和蓝藻光合作用研究中的最新应用

文章来源: | 2020-12-25

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蓝藻:由光系统I和II驱动的光合电子传递为固碳提供化学能。除线性电子传递链外,还存在其他替代电子传递路径(循环电子传递链),该路线仅涉及光系统I。线性和循环电子传递链的确切作用仍是一个有争议的问题。在2020年12月8日发表在BBA Bioenergetics杂志上的"In-vivo quantification ofelectron flow through photosystem I–Cyclicelectron transport makes up about 35% in a cyanobacterium"文章中,德国基尔大学的Jens Appel等人描述了一种新的改进方法,该方法首次允许通过光系统I以绝对值对电子流进行量化。借助Dual-KLAS-NIR近红外光谱仪,使用特定的体内实验方案可以识别蓝藻(Syechocystcystis sp. PCC 6803)中质体蓝素(PC),P700以及PSI受体侧铁硫蛋白(FeS簇(包括铁氧还蛋白))的氧化还原状态。用Dual-KLAS- NIR测定的P700吸光度变化与使用EPR直接测定PSI浓度线性相关。暗恢复弛豫动力学测量(DIRKPSI)用于确定通过PSI的电子流量。平行于DIRKPSI测量,从氢氧化物作为电子供体到光系统I的电子计数,证实了该方法的有效性。与DIRKPSI相比,通过传统的的PSI产率测量得到的电子流在低光强度下会被高估,并且饱和的时间被提前。与PSII相比,将DIRKPSI与氧释放量测量结果相结合可得出通过PSI的剩余电子比例为35%。我们将这些电子归因于循环电子传输,这是植物中假设值的两倍。对流经光系统的电子进行计数可以确定光合作用所需的量子数,以产生的每分子氧气来换算,所需要的量子数为11个,这与之前文献中公布的值是接近的。

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P700、FeS和质体蓝素的差示模型曲线(模型光谱)的记录和推导

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不同菌株模型光谱的测试

—— 参考文献 ——
Theune, M. L., et al. (2020). In-vivo quantification of electron flow through photosystem I - cyclic electron transport makes up about 35 % in a cyanobacterium. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics: 148353.



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水稻:水稻叶片暴露于环境条件胁迫后,光系统I(PSI)中的主要电子供体P700被氧化,该过程可以抑制活性氧的产生,从而降低了活性氧氧化P700使PSI的功能失活的风险。在2020年12月12日发表在开源杂志Plants上的文章"Intrinsic Fluctuations in T ranspiration Induce Photorespirationto Oxidize P700 in Photosystem I"中,日本神户大学的Chikahiro Miyake等人发现用光化光照射稻叶会引起气孔打开和关闭的内在波动,从而导致净CO2同化率发生波动。他们研究了这些固有波动对光合电子传递的影响,研究发现,在大气O2条件(21 kPa)下,光系统II(PSII)的有效量子产率(Y(II))保持相对较高,而净CO2吸收速率却发生了波动,这表明了替代电子传递途径在发挥作用。相反,在低O2条件下(2 kPa),Y(II)则表现出波动。以上结果表明光呼吸主要驱动替代电子传递链,在整个二氧化碳净吸收速率的波动过程中,光呼吸维持了铁氧还蛋白(Fd)的氧化水平。此外,在21 kPa O2条件下,光呼吸的相对活性与P700的氧化水平和类囊体膜上质子梯度的大小相关。当气孔关闭抑制CO2同化时,光呼吸通过刺激质子梯度形成而氧化P700。

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水稻叶片净CO2同化率和蒸腾速率的波动规律

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氧分压对水稻叶片CO2净同化速率和PSII光量子产量的影响

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氧分压对水稻叶片CO2净同化速率及PC、P700、Fd和质体醌氧化还原状态的影响

—— 参考文献 ——
Furutani,R., et al. (2020). Intrinsic Fluctuations in Transpiration Induce Photorespiration to Oxidize P700 in Photosystem I. Plants, 9(12): 1761.


译者注:PSI或围绕PSI的循环电子传递已然成为现在光合作用的研究热点。PSI供体侧(质蓝素PC)和受体测(铁氧还蛋白Fd)的研究越来越受关注。Dual-KLAS-NIR是德国WALZ产品序列的新成员,它可以同步测量叶绿素荧光,PC,P700,Fd氧化还原。全球范围内有超过十家用户正在使用它进行藻类,作物光合作用研究。截止目前,发表文章约30篇。署名单位有德国的乌兹堡大学、基尔大学,芬兰的图尔库大学,日本的神户大学、筑波大学,法国萨克雷大学,英国玛丽女王大学、谢菲尔德大学。国内山东农大、武汉大学已经配置了该设备。相信在不久的将来也会有成果发表。


Dual-KLAS-NIR应用的部分代表文献(2020年)
•Shimakawa, G., et al. (2020). "Near-infrared in vivo measurements of photosystem I and its lumenal electron donors with a recently developed spectrophotometer." Photosynthesis Research 144(1): 63-72.
Flannery, S. E., et al. (2020). "Developmental acclimation of the thylakoid proteome to light intensity in Arabidopsis." Plant Journal n/a(n/a).
Furutani, R., et al. (2020). "Intrinsic Fluctuations in Transpiration Induce Photorespiration to Oxidize P700 in Photosystem I." Plants 9(12): 1761.
Kato, H., et al. (2020). "Characterization of a giant photosystem I supercomplex in the symbiotic dinoflagellate Symbiodiniaceae." Plant Physiology: pp.00726.02020.
Nikkanen, L., et al. (2020). "Functional redundancy between flavodiiron proteins and NDH-1 in Synechocystis sp. PCC 6803." The Plant Journal n/a(n/a).
Sétif, P., et al. (2020). "Identification of the electron donor to flavodiiron proteins in Synechocystis sp. PCC 6803 by in vivo spectroscopy." Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 1861(10): 148256.
Theune, M. L., et al. (2020). "In-vivo quantification of electron flow through photosystem I – cyclic electron transport makes up about 35 % in a cyanobacterium." Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics: 148353.

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