探究結(jié)縷草三種葉綠素降解相關(guān)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(jìn)行光合作用的主要色素。葉綠素降解是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要多種酶的參與。在葉綠素循環(huán)中，Chl a被葉綠素a加氧酶轉(zhuǎn)化為Chl b，而Chl b被Chl b還原酶（NYC1和NOL）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nóng)林學(xué)院草業(yè)中心滕珂課題組分別探究了結(jié)縷草三種葉綠素降解相關(guān)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(jié)果為今后的育種和遺傳改良提供理論基礎(chǔ)和參考。研究?jī)?nèi)容分別發(fā)表在Environmental and Experimental Botany和Frontiers in Plant Science雜志上。

　　過表達(dá)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(dá)ZjNYC1（line-82、line-100）、ZjPPH（PPH-3、PPH-7）和ZjNOL（line-10、line31）的轉(zhuǎn)基因擬南芥均出現(xiàn)了明顯的變黃現(xiàn)象（圖1）。與對(duì)照植株相比，轉(zhuǎn)基因植株的總?cè)~綠素含量和Chl b含量更少。此外，轉(zhuǎn)基因植株中ABA和過氧化氫的含量均高于對(duì)照植株。結(jié)果表明，ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均促進(jìn)葉綠素降解，加速了葉片衰老過程。

圖1 過表達(dá)ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL擬南芥的表型和生理指標(biāo)

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

　　葉綠素?zé)晒馐侵参锷锬軐W(xué)評(píng)價(jià)的敏感指標(biāo)。通過英國(guó)Hansatech生產(chǎn)的Handy PEA可以簡(jiǎn)單快速的獲取葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)，其中OJIP曲線可以更直觀地表現(xiàn)出差異，JIP-test則提供豐富的參數(shù)，由于其測(cè)定方便簡(jiǎn)單，逐漸成為科研工作者們研究光合作用原初光化學(xué)反應(yīng)的有力工具。

　　1、ZjNYC1對(duì)PSII、PSI和電子傳遞鏈的完整性和功能產(chǎn)生了負(fù)面影響

　　與對(duì)照相比，過表達(dá)ZjNYC1的植株ΔVt曲線中L-band，K-band和G-band均為明顯陽性。轉(zhuǎn)基因株系與對(duì)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(yīng)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(duì)PSII、PSI和電子傳遞鏈的完整性和功能產(chǎn)生了負(fù)面影響。

圖2 過表達(dá)ZjNYC轉(zhuǎn)基因株系的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線分析

圖3 ZjNYC調(diào)節(jié)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(dá)ZjPPH轉(zhuǎn)基因株系的O-J像高于對(duì)照組，表明轉(zhuǎn)基因植株中PSII受體側(cè)的電子傳遞受到抑制。轉(zhuǎn)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(fù)合體的解離。K峰的出現(xiàn)表示OEC失活。在本研究中，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的H-band，說明ZjPPH的表達(dá)對(duì)PSI和PSII之間的PQ池大小和電子轉(zhuǎn)導(dǎo)沒有顯著影響。陰性G-band意味著PSI受體池變大。

　　轉(zhuǎn)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(yīng)中心的電子傳遞效率降低。轉(zhuǎn)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(yīng)中心的增加和PSII效率的抑制有關(guān)。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(dá)ZjPPH轉(zhuǎn)基因株系的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線分析

圖5 ZjNYC調(diào)節(jié)光合作用和衰老模型圖

　　3、ZjNOL通過損傷放氧復(fù)合體來抑制光合效率

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

圖4 過表達(dá)ZjNOL轉(zhuǎn)基因株系的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線分析

圖5 ZjNYC調(diào)節(jié)光合作用和衰老模型圖

　　綜上所述，ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均促進(jìn)葉綠素降解，加速了衰老過程，對(duì)PSII、PSI和電子電子傳遞鏈的完整性和功能性產(chǎn)生了不同程度的負(fù)面影響。作者認(rèn)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(jié)縷草葉綠素的降解和光合機(jī)制。同時(shí)，該研究為今后的遺傳改良和育種提供理論基礎(chǔ)和參考。