為了研究，植物通常生長(zhǎng)在穩(wěn)定的光照下，這并不能反映自然條件。在一系列改變光條件的實(shí)驗(yàn)中，模擬光和陰影的自然相互作用，來(lái)自波茨坦-戈姆(德國(guó))馬克斯·普朗克分子植物生理學(xué)研究所(德國(guó))和密歇根州立大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院(美國(guó))的研究人員揭示了兩種關(guān)鍵蛋白質(zhì)對(duì)光合作用動(dòng)態(tài)控制的重要性。

植物通過(guò)光合作用來(lái)生長(zhǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，它們利用來(lái)自陽(yáng)光的能量，釋放氧氣，并產(chǎn)生碳水化合物，這是所有人類和地球上幾乎所有動(dòng)物的基本食物資源。在自然條件下，光可用性可以在很短的時(shí)間內(nèi)迅速變化。其中一個(gè)主要原因是云在太陽(yáng)前面經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生光和影。當(dāng)植物的葉子和樹枝被風(fēng)吹動(dòng)時(shí)，它們也可以暫時(shí)提供陰涼。當(dāng)光線有限時(shí)，植物不能從陰涼處向陽(yáng)光移動(dòng);反之，當(dāng)暴露在過(guò)多的陽(yáng)光下時(shí)，植物也不能從陽(yáng)光下躲避到陰涼處。它們必須以其他方式應(yīng)對(duì)不斷變化的光照條件。

就像對(duì)人類一樣，過(guò)多的陽(yáng)光對(duì)植物有害。特別是，微弱和強(qiáng)烈光線之間的快速變化是有問(wèn)題的。就像我們眼睛的視網(wǎng)膜一樣，植物利用樹葉中的分子來(lái)捕捉光粒子。當(dāng)光線較弱時(shí)，這些光阱能非常有效地捕捉盡可能多的弱光。如果光照條件突然改變，太多的光能可能會(huì)到達(dá)植物。這種能量會(huì)使植物細(xì)胞內(nèi)敏感的光合裝置超負(fù)荷或損壞。因此，植物必須不斷地使其光合作用活動(dòng)適應(yīng)環(huán)境條件，以一方面獲得最大的光產(chǎn)量，另一方面又避免受到過(guò)多光的傷害。

迄今為止，溫室和實(shí)驗(yàn)室里的植物幾乎都是在穩(wěn)定和均勻的光照條件下生長(zhǎng)的。因此，我們對(duì)如何適應(yīng)不斷變化的光照條件的理解是非常有限的。在最壞的情況下，這可能導(dǎo)致植物在實(shí)驗(yàn)室和溫室里生長(zhǎng)良好，但在田間培養(yǎng)時(shí)，表現(xiàn)突然比預(yù)期差得多。

光照條件變化下光合作用的調(diào)節(jié)

波茨坦-戈姆馬克斯普朗克分子植物生理學(xué)研究所的Ute Armbruster和美國(guó)密歇根州立大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院的David Kramer周圍的研究人員在他們的研究中研究了模式植物擬南芥。植物在各種各樣的條件下生長(zhǎng)，包括靜態(tài)、波動(dòng)和自然光。這項(xiàng)研究重點(diǎn)研究了兩種離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，即VCCN1和KEA3，它們?cè)趧?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光合作用性能方面起著關(guān)鍵作用。從早期的研究中得知，如果光線突然變得過(guò)于強(qiáng)烈，VCCN1就會(huì)激活防曬功能。當(dāng)光強(qiáng)減弱時(shí)，第二種蛋白質(zhì)KEA3會(huì)迅速分解這種防曬物質(zhì)，這樣植物就能再次獲得更多的光。然而，VCCN1和KEA3這兩種蛋白質(zhì)從未在現(xiàn)實(shí)的光照條件下被檢測(cè)過(guò)。

研究人員使用了一種創(chuàng)新的新方法來(lái)測(cè)量光合作用，并有針對(duì)性地使用基因敲除(即VCCN1和KEA3基因被關(guān)閉的植物)。他們表明，蛋白質(zhì)VCCN1和KEA3的活性取決于植物生長(zhǎng)的光照條件。根據(jù)植物栽培基礎(chǔ)設(shè)施小組負(fù)責(zé)人Karin博士K?hl的建議，研究人員在分析中重點(diǎn)關(guān)注了兩個(gè)與生長(zhǎng)相關(guān)的光因子，并能夠證明植物接受的光量和光波動(dòng)的頻率對(duì)兩種離子轉(zhuǎn)運(yùn)體的功能都有很強(qiáng)的影響。VCCN1的保護(hù)功能只在以前在低光環(huán)境下生長(zhǎng)的植物中起作用。相反，取消保護(hù)的KEA3即使在強(qiáng)光條件下生長(zhǎng)，在強(qiáng)光時(shí)期也有活性。

防曬還取決于植物暴露在光波動(dòng)的程度。當(dāng)光照條件發(fā)生顯著變化時(shí)，植物會(huì)產(chǎn)生橙色色素玉米黃質(zhì)，這也與防曬有關(guān)。在強(qiáng)光條件下，這種防曬霜的產(chǎn)生也會(huì)被KEA3抑制。“我們的研究表明，我們不應(yīng)該分別看待生長(zhǎng)光的影響和對(duì)光波動(dòng)的快速反應(yīng)，”該研究的主要作者Thekla von Bismarck說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō):“以日益復(fù)雜的方式整合多個(gè)時(shí)間尺度和代謝水平將是作物研究未來(lái)的主要挑戰(zhàn)。這將為提高田間作物產(chǎn)量提供關(guān)鍵思路。”

Journal Reference:

1. Thekla von Bismarck, Kübra Korkmaz, Jeremy Ruß, Kira Skurk, Elias Kaiser, Viviana Correa Galvis, Jeffrey A. Cruz, Deserah D. Strand, Karin Köhl, Jürgen Eirich, Iris Finkemeier, Peter Jahns, David M. Kramer, Ute Armbruster. Light acclimation interacts with thylakoid ion transport to govern the dynamics of photosynthesis in Arabidopsis. New Phytologist, 2022; 237 (1): 160 DOI: 10.1111/nph.18534