結縷草降解相關基因在葉綠素降解和光合中的作用

探究結縷草三種葉綠素降解相關基因在葉綠素降解和光合作用中的作用

　　綠色植物的葉綠素由葉綠素a和葉綠素b組成，是植物進行光合作用的主要色素。葉綠素降解是一個復雜的過程，需要多種酶的參與。在葉綠素循環中，Chl a被葉綠素a加氧酶轉化為Chl b，而Chl b被Chl b還原酶（NYC1和NOL）轉化為7-羥甲基-葉綠素a，激活葉綠素降解過程。STAY-GREEN蛋白（SGR）從Chl-a中釋放出鎂，生成脫鎂素a。然后，在脫鎂葉綠素酶（PPH）的作用下，脫鎂素a被轉化為脫鎂葉綠酸a。最后，脫鎂葉綠酸a被PAO、RCCR和TIC55催化，生成葉綠素分解代謝物。

　　近年來，北京農林學院草業中心滕珂課題組分別探究了結縷草三種葉綠素降解相關基因（ZjNYC1、ZjNOL和ZjPPH）在光合作用、葉綠素降解和衰老中的作用，此研究結果為今后的育種和遺傳改良提供理論基礎和參考。研究內容分別發表在Environmental and Experimental Botany和Frontiers in Plant Science雜志上。

　　過表達ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均加速了葉綠素的降解和葉片衰老

　　在正常光照條件下，過表達ZjNYC1（line-82、line-100）、ZjPPH（PPH-3、PPH-7）和ZjNOL（line-10、line31）的轉基因擬南芥均出現了明顯的變黃現象（圖1）。與對照植株相比，轉基因植株的總葉綠素含量和Chl b含量更少。此外，轉基因植株中ABA和過氧化氫的含量均高于對照植株。結果表明，ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均促進葉綠素降解，加速了葉片衰老過程。

圖1 過表達ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL擬南芥的表型和生理指標

　　OJIP曲線和JIP-test表明ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL對PSII、PSI和電子傳遞鏈的完整性和功能性產生了不同程度的負面影響

　　葉綠素熒光是植物生物能學評價的敏感指標。通過英國Hansatech生產的Handy PEA可以簡單快速的獲取葉綠素熒光數據，其中OJIP曲線可以更直觀地表現出差異，JIP-test則提供豐富的參數，由于其測定方便簡單，逐漸成為科研工作者們研究光合作用原初光化學反應的有力工具。

　　1、ZjNYC1對PSII、PSI和電子傳遞鏈的完整性和功能產生了負面影響

　　與對照相比，過表達ZjNYC1的植株ΔVt曲線中L-band，K-band和G-band均為明顯陽性。轉基因株系與對照之間的H-band和W_OI≥1部分均為陰性。ABS/CSm和Fv/Fm的降低表明PSII天線色素的能量吸收減少。RC/CSm和TRo/CSm的降低反映了活性反應中心和捕獲能量通量的減少。ETo/CSm和φ(Eo)的降低表明電子傳遞受阻。此外，降低的REo/CSm和φ(Ro)顯示出PSI的效率受到抑制。綜上所述，ZjNYC1對PSII、PSI和電子傳遞鏈的完整性和功能產生了負面影響。

圖2 過表達ZjNYC轉基因株系的葉綠素熒光誘導曲線分析

圖3 ZjNYC調節光合作用和衰老模型圖

　　2、ZjPPH抑制了PSII和PSI的效率，但PSII和PSI之間的電子傳遞沒有顯著影響

　　過表達ZjPPH轉基因株系的O-J像高于對照組，表明轉基因植株中PSII受體側的電子傳遞受到抑制。轉基因株系的ΔVt曲線中L-band，K-band和H-band均為陽性。L-Band陽性表明天線色素復合體的解離。K峰的出現表示OEC失活。在本研究中，沒有發現明顯的H-band，說明ZjPPH的表達對PSI和PSII之間的PQ池大小和電子轉導沒有顯著影響。陰性G-band意味著PSI受體池變大。

　　轉基因株系中ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC均有所增加，但ETo/RC無明顯變化。這表明PSII反應中心的電子傳遞效率降低。轉基因株系中ABS/CSm、TRo/CSm和ETo/CSm降低，而DIo/CSm升高。ABS/CSm、TRo/CSm和ETo/CSm的降低與非活性反應中心的增加和PSII效率的抑制有關。DIo/CSm的增加反映了光能利用效率降低。ZjPPH抑制了PSII和PSI的效率，但PSII和PSI之間的電子傳遞沒有顯著影響。

圖4 過表達ZjPPH轉基因株系的葉綠素熒光誘導曲線分析

圖5 ZjNYC調節光合作用和衰老模型圖

　　3、ZjNOL通過損傷放氧復合體來抑制光合效率

　　對照相比，過表達ZjNOL植株ΔVt曲線中發現L-band和K-band為陽性，G-band為陰性。轉基因株系的K-band的正值和G-band的負值均顯著高于對照組。L-Band陽性表明天線色素復合體的解離。K峰的出現表示OEC失活。轉基因株系的ABS/RC、TRo/RC增加，而ETo/RC和DIo/RC變化不大。同時，轉基因株系的ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm和DIo/CSm等參數均有所降低，這與非活性反應中心密度的增加和PSII的活性抑制有關。陽性G-band值表明PSI末端電子受體池相對較大。作者認為ZjNOL主要是通過損傷放氧復合體來抑制光合效率。

圖4 過表達ZjNOL轉基因株系的葉綠素熒光誘導曲線分析

圖5 ZjNYC調節光合作用和衰老模型圖

　　綜上所述，ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均促進葉綠素降解，加速了衰老過程，對PSII、PSI和電子電子傳遞鏈的完整性和功能性產生了不同程度的負面影響。作者認為ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL在光合作用中的作用不完全相同。這使我們更加了解結縷草葉綠素的降解和光合機制。同時，該研究為今后的遺傳改良和育種提供理論基礎和參考。