|PEA] 探究结缕草三种叶绿素降解相关基因在叶绿素降解和光合作用中的作用

绿色植物的叶绿素由叶绿素a和叶绿素b组成，是植物进行光合作用的主要色素。叶绿素降解是一个复杂的过程，需要多种酶的参与。在叶绿素循环中，Chl a被叶绿素a加氧酶转化为Chl b，而Chl b被Chl b还原酶（NYC1和NOL）转化为7-羟甲基-叶绿素a，激活叶绿素降解过程。STAY-GREEN蛋白（SGR）从Chl-a中释放出镁，生成脱镁素a。然后，在脱镁叶绿素酶（PPH）的作用下，脱镁素a被转化为脱镁叶绿酸a。最后，脱镁叶绿酸a被PAO、RCCR和TIC55催化，生成叶绿素分解代谢物。

近年来，北京农林学院草业中心滕珂课题组分别探究了结缕草三种叶绿素降解相关基因（ZjNYC1、ZjNOL和ZjPPH）在光合作用、叶绿素降解和衰老中的作用，此研究结果为今后的育种和遗传改良提供理论基础和参考。研究内容分别发表在Environmental and Experimental Botany和Frontiers in Plant Science杂志上。

过表达ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均加速了叶绿素的降解和叶片衰老

在正常光照条件下，过表达ZjNYC1（line-82、line-100）、ZjPPH（PPH-3、PPH-7）和ZjNOL（line-10、line31）的转基因拟南芥均出现了明显的变黄现象（图1）。与对照植株相比，转基因植株的总叶绿素含量和Chl b含量更少。此外，转基因植株中ABA和过氧化氢的含量均高于对照植株。结果表明，ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均促进叶绿素降解，加速了叶片衰老过程。

图1 过表达ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL拟南芥的表型和生理指标

OJIP曲线和JIP-test表明ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL对PSII、PSI和电子传递链的完整性和功能性产生了不同程度的负面影响

叶绿素荧光是植物生物能学评价的敏感指标。通过英国Hansatech生产的Handy PEA可以简单快速的获取叶绿素荧光数据，其中OJIP曲线可以更直观地表现出差异，JIP-test则提供丰富的参数，由于其测定方便简单，逐渐成为科研工作者们研究光合作用原初光化学反应的有力工具。

1、ZjNYC1对PSII、PSI和电子传递链的完整性和功能产生了负面影响

与对照相比，过表达ZjNYC1的植株ΔVt曲线中L-band，K-band和G-band均为明显阳性。转基因株系与对照之间的H-band和W_OI≥1部分均为阴性。ABS/CSm和Fv/Fm的降低表明PSII天线色素的能量吸收减少。RC/CSm和TRo/CSm的降低反映了活性反应中心和捕获能量通量的减少。ETo/CSm和φ(Eo)的降低表明电子传递受阻。此外，降低的REo/CSm和φ(Ro)显示出PSI的效率受到抑制。综上所述，ZjNYC1对PSII、PSI和电子传递链的完整性和功能产生了负面影响。

图2 过表达ZjNYC转基因株系的叶绿素荧光诱导曲线分析

图3 ZjNYC调节光合作用和衰老模型图

2、ZjPPH抑制了PSII和PSI的效率，但PSII和PSI之间的电子传递没有显著影响

过表达ZjPPH转基因株系的O-J像高于对照组，表明转基因植株中PSII受体侧的电子传递受到抑制。转基因株系的ΔVt曲线中L-band，K-band和H-band均为阳性。L-Band阳性表明天线色素复合体的解离。K峰的出现表示OEC失活。在本研究中，没有发现明显的H-band，说明ZjPPH的表达对PSI和PSII之间的PQ池大小和电子转导没有显著影响。阴性G-band意味着PSI受体池变大。

转基因株系中ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC均有所增加，但ETo/RC无明显变化。这表明PSII反应中心的电子传递效率降低。转基因株系中ABS/CSm、TRo/CSm和ETo/CSm降低，而DIo/CSm升高。ABS/CSm、TRo/CSm和ETo/CSm的降低与非活性反应中心的增加和PSII效率的抑制有关。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之间的电子传递没有显著影响。

图4 过表达ZjPPH转基因株系的叶绿素荧光诱导曲线分析

图5 ZjNYC调节光合作用和衰老模型图

3、ZjNOL通过损伤放氧复合体来抑制光合效率

对照相比，过表达ZjNOL植株ΔVt曲线中发现L-band和K-band为阳性，G-band为阴性。转基因株系的K-band的正值和G-band的负值均显著高于对照组。L-Band阳性表明天线色素复合体的解离。K峰的出现表示OEC失活。转基因株系的ABS/RC、TRo/RC增加，而ETo/RC和DIo/RC变化不大。同时，转基因株系的ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm和DIo/CSm等参数均有所降低，这与非活性反应中心密度的增加和PSII的活性抑制有关。阳性G-band值表明PSI末端电子受体池相对较大。作者认为ZjNOL主要是通过损伤放氧复合体来抑制光合效率。

图4 过表达ZjNOL转基因株系的叶绿素荧光诱导曲线分析

图5 ZjNYC调节光合作用和衰老模型图

综上所述，ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均促进叶绿素降解，加速了衰老过程，对PSII、PSI和电子电子传递链的完整性和功能性产生了不同程度的负面影响。作者认为ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL在光合作用中的作用不完全相同。这使我们更加了解结缕草叶绿素的降解和光合机制。同时，该研究为今后的遗传改良和育种提供理论基础和参考。