弱光增加光反應蛋白的豐度：高密度種植玉米的蛋白質組學分析
現代農業生產中常以高密度種植為基礎，植物經常處于上部葉片或相鄰植株形成的弱光環境下。弱光誘導植物形態和生理特性變化。形態上，弱光誘導株高、莖粗、葉片厚度、比葉面積等發生變化。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酶活性等發生變化。
這些變化間接或直接抑制了光合作用，不利于作物生產。在玉米生產上，弱光脅迫破壞葉綠體超微結構，降低葉綠素合成，進而降低CO2固定和光合能力。此外，在華北平原地區的夏玉米生長后期，日照時數和太陽輻射的減少嚴重制約了玉米的生產，表明弱光是夏玉米生產中不可避免的問題。
山東農業大學農學院生態課題組在中國北方黃淮海地區開展夏玉米葉片生理和光合參數、葉綠素含量、葉綠素快速誘導動力學曲線、葉片氮素含量等生理生態學和相關光合蛋白質組學研究，以探明夏玉米在高密度種植中弱光環境下的生長機制，并使用美國PP SYSTEMS公司生產的CIRAS-3便攜式光合作用測量系統及英國Hansatech公司生產的Handy PEA及M-PEA植物效率分析儀測定了不同處理玉米氣體交換參數及快速葉綠素誘導動力學曲線。
研究結果“Low light increases the abundance of light reaction pro-teins: proteomics analysis of maize (Zea maysL.) grown at high planting density”發表在International Journal of Molecular Sciences（IF=5.924）雜志上。
圖1 開花后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。(A) 葉片單位面積干重(LMA);(B)葉片總葉綠素含量(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期均顯著下降。葉片含氮量在0-20d也呈現下降趨勢但是自花后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，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 不同光強下玉米葉片氣體交換參數的變化
隨著葉片衰老，3個種植密度下玉米葉片的凈光合速率（Pn）總體上均呈下降趨勢，同時出現氣孔導度（Gs）下降的趨勢，而胞間CO2濃度（Ci）則呈現上升趨勢。這表明，不同密度夏玉米葉片Pn下降是由非氣孔限制引起的。在強光（1600 mmol m-2s-1）下，LD處理的葉片凈光合速率（Pn）隨著葉片衰老逐漸下降，而ND和HD處理的葉片Pn則先上升后下降，均在花后10 d達到最大值（圖2 A-C）。增加種植密度顯著降低了開花前期的葉片Pn，顯著增加了開花中后期的葉片Pn。ND處理的增幅最大。弱光（300 mmol m-2s-1）下的變化趨勢與強光下的相同（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光強-光合響應曲線獲得的參數
表1是根據光合響應曲線進行擬合獲得的相關參數。各參數值的變化受到種植密度和生育時期的共同影響?；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在花后各時期均按照LD＞ND＞HD的順序下降。
作為反映葉片對弱光利用效率的指標，AQE在花后0 d 和10 d的最大值分別出現在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熒光誘導動力學曲線
在對數時間尺度上，所有處理下玉米葉片的葉綠素熒光均隨誘導時間快速上升，呈現出典型的OJIP瞬態變化。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誘導時間內的差異變化，將各處理轉換為振幅變化曲線。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段均表現出正的DVt值。正的DVt值，表明較低的電子傳遞效率，負值則相反。增密處理的DVt值在開花中后期（20-40 d）顯著下降，表現為ND＜HD＜LD。
這表明，在一定范圍內適當增加種植密度會緩解生育后期PSII的受損程度而不是抑制。
圖4 不同密度處理花后各時期的玉米葉片模型
花后0 d發現吸收能量（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處理達到最大值。
花后10 d時，這些指標的最大值均出現在ND處理；此外，相較于LD處理，HD處理中發現僅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。自開花20 d起，能量通量參數均表現出相似的變化，即最大值出現在ND處理，其次是HD處理，最小值出現在LD處理。從能量通量的總體結果來看，RC/CS和ET/CS是變化最大的參數。
圖5 不同處理玉米葉片熒光參數雷達圖
雷達圖結果表明，在花后各時期，密植處理與低密度處理具有相似的jPo，這在一定程度上表明弱光脅迫對PSII光化學效率并沒有顯著影響。然而，很明顯的觀察到了種植密度對電子傳遞系統的影響，這一影響體現在Wk、Vj、Yo、jEo和 jRo這些與電子傳遞有關的參數上。且發現密植對PSI電子傳遞效率的提升效果高于PSII的?；ê蟾鲿r期的dRo均表現為ND＞HD＞LD處理，ND處理均達顯著差異，而HD處理僅在花后0 d達到顯著差異。
花后各時期的PIabs和PItotal均表現為ND＞HD＞LD。與LD處理相比，增密處理葉片的光系統協調性（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PSII 和PSI 之間電子傳遞鏈通量。
圖6 光誘導光合機構中差異豐富蛋白質（DAPs）水平的變化
電子不斷穿梭于去鎂葉綠素（Phe）和質體醌分子QA和QB之間，然后輸送到位于PSII和PSI之間的葉綠體細胞色素b6f復合物（Cytb6f）。在應激條件下，Cytb6f相關蛋白的表達可以增加。在ND和HD葉片中，PetA、PetD、PetF和PetJ的豐度高于LD葉片。這些蛋白質的高豐度可能構成一種協調策略，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系。
文章最后，作者作出如下總結：密植玉米植株可以通過提高光利用效率和減少光合產物的消耗來適應弱光，這反映在較高的AQE和較低的Rd和LCP上。與根系表型變化導致的養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和生理性狀發生了顯著變化，但在弱光下，光利用效率顯著提高。
此外，研究結果還顯示了利用葉綠素熒光參數以及相關蛋白質作為植物光脅迫指標的潛力，這可以為開發適合集約化農業的栽培條件和玉米品種提供技術支持。
