qM — 叶绿体迁移 — 改变游戏规则的研究

撰稿人: 日期:2018-12-3 点击次数:85

        现在已知在高光化光水平下约30%的荧光NPQ(非光化学淬灭)是由qM(叶绿体迁移)引起的。植物在强烈的白光或强烈的蓝光照射后,就会发生叶绿体迁移,而强烈的红光并不会导致叶绿体迁移发生。(Cazzaniga 2013)。

        是什么原因导致非光化学淬灭(NPQ)荧光弛豫变化大于几分钟小于三十五分钟?它是状态转换qT、慢速叶黄素循环机制qZ引起的?还是由叶绿体迁移qM引起的呢?最新研究数据表明,在高光照水平或接近饱和的光照条件下,叶绿体迁移是导致荧光变化和淬灭弛豫的主要原因。由于qM占NPQ非光化学淬灭的30%,因此,它成为大多数叶绿素荧光测量参数和协议的游戏规则改变者。该研究影响用于测量高光照条件下的大多数光适应参数的光化光源的类型,暗适应的推荐时间,以及在高光照条件下达到稳态光合作用所需的时间。
        研究已经表明,当植物从暗适应状态变为高光照水平或从高光照适应状态变为暗适应状态时,非光化学淬灭NPQ的叶绿素荧光测量涉及三种基本机制:qE、qT和qI。qE是由类囊体腔的△pH和叶黄素循环引起的光系统II的快速光保护调节。一般需要几秒到几分钟调整,而且在野外植物中往往时间更长(Baker 2008, Murchie 2011, Nilkens 2010)。qT是由状态转换引起的,可能需要长达十五或二十分钟。花费更长时间的变化与qI(光抑制)有关。现在有显着证据表明,在淬灭弛豫测量中以qT测量的荧光变化可能是由于其他叶绿体迁移引起的,至少在高光化光条件下许多陆地植物中是这样的。

qT状态转换——经典观点:

        根据经典的状态转换理论,状态转换被认为是一种低光照水平下的生存机制,它允许光系统II和光系统I之间的光平衡。认为LHCII天线三聚体,或外围磷酸化采光复合物II天线,从PSII复合物迁移到PSI复合物。当它们彼此靠近或彼此相邻时,就会从一个类囊体膜运动到另一个类囊体膜上。运动和反应发生在类囊体膜的基质侧,允许LHCII天线用作PSI天线。当去磷酸化后,LHCII天线倾向于回到光系统II。在低光照条件下,更倾向于向PSI运动。LHCII磷酸化是在不同光质人工诱导状态转换下动态调节PSI/PSII激发的相对平衡的先决条件。然而,在富含光系统II的类囊体膜上,并没有完整地观察到该过程。

qT状态转换——最新的观点:

        没有明确的证据支持LHCII(光捕获复合物II天线)在基质暴露的富含PSII的类囊体膜中向PSI反应中心运动的说法。在这种情况下,LHCII磷酸化不会为PSI收集光能(Tikkanen 2012)。只有在grana类囊体膜的边缘,LHCII天线的运动方式才符合磷酸化诱导状态转换的传统观点(Tikkanen 2008)。Tikkanen还指出,有大量证据表明,经典的状态转换机制不是两种光系统之间能量平衡的唯一方法。还有证据表明LHCII磷酸化可能通过未知的非光化学淬灭机制连接光系统II和光系统I之间的光平衡调节(Tikkanen 2012),这不仅适用于光系统II还适用于光系统I (Tikkanen 2010)。另外还发现,当光强增加时,Psbs蛋白质被质子化,使LHCII天线成为光系统II的耗散状态。(Li 2004, Tikkannen 2012)。在较低的光照水平下,LHCII活性恢复,光系统II活性增加。此外,磷酸化是由酶STN7和STN8激酶及其相反的磷酸酶控制,这些酶又由光强度严格控制。这些激酶功能与Psbs和叶黄素循环完全同步(Tikkanen 2012)。

qZ——由于未知的长期叶黄素循环机制
        2010年,Nilkens和其他人使用NPQ拟南芥突变体确定在饱和光照条件下,qT状态转换对荧光变化和黑暗中的淬灭弛豫没有显著贡献。 此外,还在中等光照下测试样品,以排除qI(光抑制)对该荧光变化的贡献。与qZ相关的变化在30分钟内完成。在稳态光照条件下,NPQ应分为qE、qZ和qI。

        如其他研究所述,qE是在10秒至200秒间产生和弛豫的过程,取决于类囊体腔的△pH、Psbs蛋白和玉米黄质的形成。qE的较长部分从100秒到约200秒受到玉米黄质合成的限制。
        根据Nilkens小组的说法,建议的qZ是在十到三十分钟的时间范围内开始的,Psbs不参与qZ,但完全依赖于玉米黄质的形成。弛豫取决于玉米黄质向紫黄质的再转化。应该说,该小组发现了一个似乎与其他q Z结果相矛盾的样本;然而,他们说这可能是由于大部分qE的迟缓弛豫造成的,而不是正常的中等程度荧光弛豫特征。实验植物是玉米黄质缺乏突变体npql。
        光抑制qI在三十分钟后形成,取决于光照时间、强度和基因型。还发现状态转换qT在饱和光强下不是NPQ的重要贡献者。
        OS5p+提供稳定的白光LED光化光源,包含强烈的蓝光光谱。它可以使用lake和puddle模型协议直接读出qE、qM、qZ、qT和qI。
qM——由于叶绿体迁移
        Cazzaniga S, Osto L.D., Kong S-G., Wada M., Bassi R., (2013)使用多种方法,拟南芥突变体和野生拟南芥来确定荧光变化,这种荧光变化以前认为是由状态转换或持续时间较长的叶黄素循环过程导致的,其实是由叶绿体迁移引起的。他们发现,在高光照条件下,叶绿体从细胞顶部移动到细胞侧面,部分遮蔽其他叶绿体。还发现,叶片透光率增加,因此叶片吸收率随着叶绿体迁移而降低。该研究得出结论,qM的原因是光子吸收减少,导致荧光产量降低,而不属于真正的淬灭过程。这被认为是保护叶片免受高光照水平影响的另一种行为。叶绿体迁移已经被认识和研究有一段时间了,Brugnoli在1992年指出叶绿体迁移影响叶绿素荧光。Cazzaniga论文首次将叶绿体迁移命名为qT和qZ荧光变化的来源。
        研究人员发现,高白光化光在诱导qM的光保护功能方面比高红光化光更有效。叶绿体迁移受高强度蓝光控制(Kagawa T. 2001)。分别选择缺乏qE(npq4)的拟南芥突变体、缺乏qE和叶绿体迁移(npq4 photo2)的拟南芥突变体以及其他突变体进行了测试。此外,通过创建一系列双重和三重突变体,使用有针对性的反向遗传分析来消除其他竞争的可能性,其中包括影响叶绿素荧光的其他机制,包括:光合结构、类胡萝卜素生物合成和作为qM的来源的状态转换。
        关于qT被qZ取代,发现通过测试缺乏qE和玉米黄质的突变体,qM的大小没有变化,但在黑暗中恢复的时间更长。植物在150umol光子 m-2s-1下生长,在400 umol光子 m-2s-1、800 umol光子 m-2s-1和1200 umol光子 m-2s-1下测试。对于某些突变体,qM的调整时间最长为35分钟。
        Cazzaniga S, Osto L.D., Kong S-G., Wada M., Bassi R., (2013)观察到缺乏状态转换的stn7突变体,其NPQ测量结果非常类似于野生拟南芥。

下面是一篇已经发表的关于叶绿体迁移的文章:
Dall'Osto L., Cazzaniga S., Wada M. and Bassi R. (2014) On the origin of a slowly reversible fluorescence decay component in the Arabidopsis npq4 mutant, Phil. Trans. R. Soc. B 2014 369, 20130221, published 3 March 2014,http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/suppl/2014/02/25/rstb.2013.0221.DC1.html

结论及叶绿素荧光的影响:

        对于许多光合生物,包括拟南芥,以qT荧光测量的状态转换的相关性是令人怀疑的。有证据表明,先前报道的淬灭弛豫试验中qT的变化不是由于较高光强或饱和光强下的状态转变引起的。最新的证据表明叶绿体迁移和由此产生的光子吸收减少是光适应期间和淬灭弛豫期间荧光变化的来源,至少在双子叶植物中是这样的。
        一些著名的研究人员发现,作为NPQ测量的一部分的中间成分机制,在所有光合生物中可能并不相同。在一些单子叶植物(玉米,大麦和水稻)中发现的状态转换中发现的磷酸化与NPQ调节之间可能存在某种关系。还有一些有力的证据表明,来自状态转变的qT荧光存在于绿藻莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)中。 (DepègeN。,Bellafiore S.,Rochaix J-D。,2003)目前的研究可能会在这一领域提供一些额外的惊喜。
        需要更高强度的白光化光源或高强度蓝光化光源来恰当地激活qM以及qM占NPQ的约30%这些事实表明需要白光源或高强度蓝光和红光代替使用高强度红光和低强度蓝光化光。这项新的研究表明,当使用低强度蓝光源进行叶绿素荧光测量时,可能存在显著的测量误差。ETR、Y(II)、NPQ、gm、Cc和qI都可能包含没有使用可靠光源带来的测量误差。
        这也可能改变适当的暗适应测量所需的时间,以及在光适应条件下达到稳定光合作用的时间。直到现在,Maxwell K, Johnson G. N,(2000)一直是研究在任何给定光照水平下达到可靠稳态光合作用条件的最有价值的论文。它指出15 - 20分钟作为20种野生陆地植物达到稳态光合作用所需的时间。著名研究人员Lichtenthaler(1999)和Ruban(2009)给出qT淬灭弛豫所需的暗适应时间也是相同的15 - 20分钟。来自Cazzaniga S, Osto L.D., Kong SG., Wada M., Bassi R., (2013)的新证据表明,暗适应时间和达到稳态光照条件的时间应该延长,至少在较高的光照水平下需要这样做。他们表明,叶绿体迁移需要20到35分钟才能适应较高的光照水平,并且为了测量叶绿素荧光值在黑暗中弛豫也需要同样的时间。大多数气体交换协议倾向于使用“稳态光合作用”这一术语来表示qE(叶黄素循环)的调整。但这仍需做进一步的考证。在高光化光照水平下,状态转换引起的变化都非常小,急性光抑制则是造成较大变化的原因。现在叶绿体迁移取代了前两种机制,成为产生变化的主要原因。如果不考虑叶绿体迁移,在高光化光水平下的气体交换测量可能会产生非常显著的测量误差。

注:

♦ OS5p+叶绿素荧光仪可以根据样品和条件直接测量qE、qT、qM、qZ和qI的值。此外,iFL荧光光合联用测量系统、
   OS5p+、OS1p和Y(II)测量仪都内置有白光化光源,都可以使叶绿体迁移发生。

♦ iFL还可以测量叶片吸收率,它可以用来证明由于叶绿体迁移发生,导致叶片吸收率的变化。

 
参考文献:
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Cazzaniga S, Osto L.D., Kong S-G., Wada M., Bassi R., (2013) “Interaction between avoidance of photon absorption, excess energy dissipation and zeaxanthin synthesis against photooxidative stress in Arabidopsis”, The Plant Journal, Volume 76, Issue 4, pages 568–579, November 2013 DOI: 10.1111/tpj.12314
 
Dall'Osto L., Cazzaniga S., Wada M. and Bassi R. (2014) On the origin of a slowly reversible fluorescence decay component in the Arabidopsis npq4 mutant, Phil. Trans. R. Soc. B 2014 369, 20130221, published 3 March 2014, http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/suppl/2014/02/25/rstb.2013.0221.DC1.html
 
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