高等植物光抑制的研究進(jìn)展

高等植物光抑制的研究進(jìn)展

這不僅是植物用于科學(xué)研究的重要?jiǎng)恿?，也是植物生命活?dòng)之外的光的通道。然而,當(dāng)葉片吸收光能過多,不能及時(shí)有效地加以利用或耗散時(shí),植物就會(huì)遭受強(qiáng)光脅迫,引起光合能力降低,發(fā)生光合作用的光抑制?；仡櫧嗄甑难芯?光抑制的機(jī)理研究進(jìn)展極為迅速,許多方面都有重大突破。本文就光抑制的研究歷程作以簡單回顧,著重對(duì)目前有關(guān)光抑制的機(jī)理及最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。1光保護(hù)機(jī)制的形成和早期發(fā)展階段20世紀(jì)20年代依據(jù)Ball等(1993)的觀點(diǎn),光抑制現(xiàn)象早在19世紀(jì)中期就已發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)初便有完整的研究報(bào)道。直到50年代,細(xì)胞分離技術(shù)的運(yùn)用,才促進(jìn)了以原生質(zhì)體、葉綠體和類囊體等為材料的光抑制機(jī)理研究的發(fā)展。20世紀(jì)80年代中期,葉綠素a熒光技術(shù)應(yīng)用到光抑制研究中,極大地推進(jìn)了其發(fā)展。Kyle等(1987)發(fā)現(xiàn)光抑制發(fā)生后,熒光產(chǎn)額降低幅度總是PSII比PSI大,PSII的電子傳遞活性降低幅度也大于PSI,于是認(rèn)為PSII是光抑制破壞的原初部位。由于這一時(shí)期的大部分研究都是在人為極端強(qiáng)光條件下進(jìn)行的,PSII反應(yīng)中心的破壞是經(jīng)?？梢杂^察到的現(xiàn)象,因此,Bjokman(1987)把植物吸收過多的能量,引起PSII反應(yīng)中心的破壞,而使光合功能下降的現(xiàn)象定義為光抑制。雖早在1962年,Yamamoto等就已對(duì)植物中存在葉黃素循環(huán)進(jìn)行了報(bào)道,但對(duì)其作用并不清楚,一直也未能引起人們重視。后來Schrelber等(1986)對(duì)葉綠素a熒光技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),為植物材料光抑制機(jī)理研究提供了極為簡便的無損傷測定手段,Demmig-Adams等(1987)以此技術(shù)研究證實(shí)葉黃素循環(huán)在光抑制中具有調(diào)節(jié)過剩光能耗散的重要作用。這一發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)光抑制的機(jī)理有了新的認(rèn)識(shí),打破了光抑制就是PSII反應(yīng)中心破壞的傳統(tǒng)觀念,確立了光抑制的機(jī)理中包含著耗散過剩光能的光保護(hù)機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)的重要地位,為90年代以光保護(hù)機(jī)制為主的光抑制機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)。目前所建立的植物光合機(jī)構(gòu)吸收的光能超過其利用的量時(shí),過剩的光能引起光能轉(zhuǎn)化效率的下降,是普遍接受的光抑制定義,它包括了光保護(hù)和光破壞兩方面,主要表現(xiàn)為PSII的光化學(xué)效率和光合效率的降低(郭連旺和沈允鋼,1996)。2光保護(hù)機(jī)制在植物光抑制過程中的應(yīng)用2.1剩余光能的耗散2.1.1類囊體膜的能量化與熱耗散所謂葉黃素循環(huán)是指葉黃素的三個(gè)組分(紫黃質(zhì)、環(huán)氧玉米黃質(zhì)、玉米黃質(zhì))依照光照條件的改變而相互轉(zhuǎn)化(圖1)。反映吸收光能熱耗散的葉綠素?zé)晒鈪?shù)qN與葉黃素循環(huán)中玉米黃質(zhì)的增加成正比(Demmig-Adams,1990),而葉片在光下玉米黃質(zhì)的形成取決于過剩光能的多少(Thayer和Bjorkman,1990)。目前,對(duì)該循環(huán)耗散過剩光能的分子機(jī)理并不清楚,人們知道其對(duì)過剩光能的耗散與類囊體膜的能量化密切相關(guān)(Demmig-Adams,1990)。所謂類囊體膜的能量化是指葉綠體在光下由于水的裂解反應(yīng)和跨類囊體膜的質(zhì)子交換,在類囊體膜的兩側(cè)產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子梯度(Chow,1994)。為此,有人提出單線激發(fā)態(tài)的玉米黃質(zhì)直接猝滅激發(fā)態(tài)葉綠素的熱耗散機(jī)制(Chow,1994),即直接作用假說。他們認(rèn)為膜的能量化導(dǎo)致捕光色素蛋白復(fù)合體質(zhì)子化,增加了單線激發(fā)態(tài)的葉綠素和玉米黃質(zhì)的光譜疊加,有利于能量猝滅;另外,膜的高能態(tài)引起膜構(gòu)象改變,使葉綠素和玉米黃質(zhì)分子互相靠近,能量得以轉(zhuǎn)移而耗散(Demmig-Adams,1990)。也有人認(rèn)為玉米黃質(zhì)并不直接耗散過剩光能,其含量增加只是促進(jìn)了LHCII形成有利于熱耗散的構(gòu)象,能量由LHCII最終耗散(Gruszecki和Strzalka,1991)。此外,Horton等(1994)又提出LHCII聚集態(tài)理論,認(rèn)為光合機(jī)構(gòu)從弱光轉(zhuǎn)到強(qiáng)光下時(shí),△pH升高,類囊體腔內(nèi)H+增多,結(jié)果是LHCII蛋白的羰基化和堇菜黃素向玉米黃素轉(zhuǎn)化,促使二者形成各自的聚集態(tài),它們進(jìn)一步相互靠近而發(fā)生熒光的非化學(xué)猝滅。該理論目前已被一些實(shí)驗(yàn)所證實(shí)(郭連旺和沈允鋼,1996;Horton等,1994)。2.1.2活性氧清除系統(tǒng)植物吸收的光能超過其轉(zhuǎn)化能力時(shí),O2可作為氧化劑從PSI還原側(cè)接受電子形成O-2·,即Mehler反應(yīng)(Krause和Comic,1987),所產(chǎn)生的O-2·對(duì)細(xì)胞有毒害作用。若這一過程與超氧物歧化酶(SOD)及抗壞血酸過氧化物酶(AsAPOD)等的反應(yīng)相偶聯(lián),則可消除這種毒害并可在同化力過剩的情況下維持一定的光合電子流,以減輕過剩光能對(duì)光合系統(tǒng)造成的毒害(Demmig-Adams和Adams,1994),因此這被認(rèn)為是一種光保護(hù)機(jī)制(Biehler和Fock,1996)?，F(xiàn)已清楚這一過程中除了需要SOD及AsAPOD外,還需要谷光甘肽還原酶(GR)、抗壞血酸(AsA)和還原性谷胱甘肽(GSH)等活性氧清除系統(tǒng)(圖2)。Demmig-Adams等(1992)認(rèn)為Mehler反應(yīng)的電子傳遞也偶聯(lián)形成△pH,使類囊體膜能量化,促進(jìn)葉黃素循環(huán)的發(fā)生和光能的耗散。2.1.3光保護(hù)作用機(jī)理早在1984年,Powles就提出光呼吸可以防止強(qiáng)光和CO2虧缺條件下發(fā)生光抑制的觀點(diǎn),但直到1988年才被證實(shí)(Krause,1988)。陶宗婭和鄒琦(1998)對(duì)開花期大豆進(jìn)行外源甘氨酸(Gly)處理促進(jìn)光呼吸,發(fā)現(xiàn)可減輕午間強(qiáng)光下的光抑制作用,相反,噴灑異煙肼(INH)、亞硫酸氫鈉(NaHSO3)和供給低氧氣體(2～3%O2)抑制光呼吸,卻加重了午間強(qiáng)光下光抑制的發(fā)生,這再一次證實(shí)了光呼吸的光保護(hù)作用。對(duì)光保護(hù)的機(jī)理,郭連旺和沈允鋼(1996)認(rèn)為光呼吸除了直接消耗過剩光能外,通過對(duì)乙醇酸消耗促進(jìn)無機(jī)磷(Pi)的周轉(zhuǎn),緩解Pi不足對(duì)光合作用的限制,因而能夠使光合能力維持在較高水平,間接地保護(hù)了光合機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明,光合機(jī)構(gòu)遇到強(qiáng)光或Pi缺乏時(shí),光呼吸的增強(qiáng)確實(shí)對(duì)光抑制的發(fā)生具有重要的防御作用(Gao等,1989)。2.1.4在系統(tǒng)間交換過程中,把能耗分離的能耗降低植物體內(nèi)有多種途徑產(chǎn)生1O2,其中葉綠素的光敏化作用是最主要的途徑(陳由強(qiáng)和黃羌維,1987)。在水分脅迫及光照下,由于電子傳遞受阻(Cornic和Briantais,1991),通過電荷分離的能耗降低(Kraiser,1987),利于1Ch1經(jīng)系統(tǒng)間交換轉(zhuǎn)變成3Ch1,最終形成1O2。這已在水稻(蔣明義等,1994)、苔蘚(Seel等,1992)等研究材料中被證實(shí)。作者在熱帶果樹芒果及亞熱帶果樹油梨的研究中得到同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。類胡蘿卜素和維生素E均存在于葉綠體膜系統(tǒng)上,它們可將葉綠素光敏化產(chǎn)生的1O2直接猝滅(陳由強(qiáng)和黃羌維,1987),消除1O2對(duì)光合機(jī)構(gòu)的傷害。所以說能過葉綠素光敏化作用形成1O2,再被類胡蘿卜素和維生素E等猝滅,是光能未經(jīng)反應(yīng)中心電荷分離而就被直接耗散的一種重要光保護(hù)機(jī)制。2.1.5ci遷移遷移該理論的產(chǎn)生源于Kyle等的“天線移動(dòng)”假說,后經(jīng)Kyle和Kuang等(1984)進(jìn)一步研究證實(shí)了LHCII的磷酸化在調(diào)節(jié)PSII與PSI間能量分配起重要作用。LHCII磷酸化可促使部分LHCII向LHCI遷移。結(jié)果使PSII和PSI的截面積分別相應(yīng)變小和擴(kuò)大,從而使PSII和PSI可捕獲的光能分別減少或增加。這有利于兩個(gè)光系統(tǒng)之間激發(fā)能分配達(dá)到平衡,這不僅可防止或減輕因PSII積累過多能量而受破壞,而且有利于提高PSI接受和傳遞電子的能力(Allen,1992)。過去一直認(rèn)為LHCII激酶的活化是被過度還原的PQ庫激活的。但是,最近用Cyt-bf突變體研究表明,LHCII激酶活化并引起LHCII磷酸化的過程實(shí)際上是由Cyt-bf控制完成的(李良壁等,1998)。除此之外,磷酸化的LHCII向LHCI遷移還與類囊體膜上的二價(jià)陽離子(如Mg2+)和單價(jià)陽離子(如K+、Na+)濃度變化有關(guān)(林世清等,1998)。2.1.6輔助cyt-b-659在1979年Heber等根據(jù)Cyt-b-559與PSII結(jié)合的特點(diǎn)及其與氧化還原特性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)提出了葉綠體中存在通過Cyt-b-559的圍繞PSII的電子循環(huán),并認(rèn)為這一循環(huán)可以保護(hù)PSII免受過量光傷害。后來Falkowsk等(1986)用生理學(xué)和生物物理學(xué)方法證實(shí)這一循環(huán)的存在。此循環(huán)由泛醌提供電子給Cyt-b-559,后經(jīng)聯(lián)結(jié)天線色素和PSII反應(yīng)中心的輔助葉綠素將電子傳遞給P680而完成循環(huán)。目前這一循環(huán)的保護(hù)作用已為許多人所接受,估算在飽和光照下約有15%的電子進(jìn)行此循環(huán)(Falkowsk等,1986)。此外,盧榮禾等(1997)研究指出Cyt-b-559能夠直接從Pheo-接受電子,從而形成一條不依賴醌受體的由Pheo-到Cyt-b-559的電子傳遞路線,防止PSII反應(yīng)中心遭受破壞。辛越勇等(1998)研究表明,當(dāng)發(fā)生PSII供體側(cè)光抑制時(shí),高電勢態(tài)的Cyt-b-559能夠供電子給P680+,當(dāng)發(fā)生PSII受體側(cè)光抑制時(shí),低電勢態(tài)的Cyt-b-559可以接受電子,所以在光抑制時(shí),Cyt-b-559的高低電勢態(tài)變化,不僅可以促進(jìn)電子吸收傳遞,而且可通過電離偶合促進(jìn)電子經(jīng)過Cyt-b-559的循環(huán),從而使反應(yīng)中心供體側(cè)和受體側(cè)發(fā)生短路,維持電子傳遞動(dòng)態(tài)平衡,保護(hù)PSII免遭進(jìn)一步的光破壞。2.2psiii光化學(xué)活性的調(diào)節(jié)作用Melis和Homann(1976)根據(jù)DCMU(阻斷QA之后的電子傳遞)存在條件下葉綠體葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線下復(fù)蓋面積增加的兩個(gè)階段現(xiàn)象的分析,提出存在兩個(gè)不同光化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)的PSII。Ort和Whitmarsh(1990)進(jìn)一步研究指出在這兩類反應(yīng)中心,一類同較大的天線色素復(fù)合體相聯(lián)系,位于基粒類囊體膜上,能還原QB,能將電子傳遞給質(zhì)體醌,是有功能的反應(yīng)中心;另一類同較小的天線色素蛋白復(fù)合體相聯(lián)系,位于間質(zhì)片層膜上,不能還原QB,為失活的反應(yīng)中心。由于這種失活中心不能將電子傳遞到QB,從而可從熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線上Fo到Fi轉(zhuǎn)變的相對(duì)熒光水平上反映出來,表現(xiàn)出光抑制的特征。Krause(1988)和Oquist等(1992)指出,PSII活性的下調(diào)可以耗散過剩的激發(fā)能,從而是一種避免反應(yīng)中心遭受強(qiáng)光破壞的保護(hù)機(jī)制,這已被大量研究所證實(shí)(Kyle等,1991)。對(duì)于PSII活性下調(diào)的原因,首先由Guenther和Melis(1990)提出是D1蛋白降解與合成修復(fù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)造成的。但后來研究表明,用葉綠體蛋白合成抑制劑林肯霉素處理,對(duì)光抑制的恢復(fù)和D1蛋白水平都沒有影響,于是Aro等(1993)提出PSII光化學(xué)活性的降低是PSII中心可逆失活的結(jié)果。Anderson等(1994)研究指出失活的PSII可以聚集在類囊體膜的垛疊區(qū),且發(fā)生了D1蛋白的磷酸化,從而避免了D1蛋白的降解或反應(yīng)中心的破壞。但是,目前對(duì)PSII光化學(xué)活性的降低如何將激發(fā)能轉(zhuǎn)變成熱耗散的機(jī)理仍不清楚。孫欽秒等(1998)研究指出,LHCII的聚集程度與其耗散激發(fā)能的能力正相關(guān),而Mg2+對(duì)促進(jìn)LHCII聚集起重要作用。3psiii反應(yīng)中心dna光催化作用雖然植物體中存在許多種光保護(hù)機(jī)制,但光抑制的過度發(fā)生,造成光合機(jī)構(gòu)的破壞是不可避免的。過去的研究,對(duì)光破壞原初作用位點(diǎn)有很大爭議(巫維拓和沈允鋼,1990),近些年來已取得較為一致的認(rèn)識(shí),普遍認(rèn)為光破壞的原初作用位點(diǎn)在PSII反應(yīng)中心,而QB蛋白的降解只是它的一個(gè)結(jié)果(Cleland等,1987)。目前研究從分子水平已取得一些重要進(jìn)展。Durrant等(1990)認(rèn)為PSII光破壞是由電荷分離形成的離子P680+與Pheo-發(fā)生電荷重組時(shí)產(chǎn)生1O2破壞造成的,1O2能夠使PSII反應(yīng)中心D1/D2/Cyt-b-559復(fù)合物His殘基及Pheo破壞(匡廷云等,1993;1995)。進(jìn)一步研究表明1O2首先使Pheo分子破壞,然后使PSII原初電子供體P680破壞(侯建敏等,1996)。在PSII反應(yīng)中心的破壞中,D1和D2蛋白也發(fā)生了化學(xué)斷裂和共價(jià)交聯(lián)(于振寶等,1995)。此外,PSII膜復(fù)合物蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)也被破壞,特別是螺旋構(gòu)象傷害嚴(yán)重,而對(duì)折疊和轉(zhuǎn)角影響不大(施樺等,1997),進(jìn)一步研究指出PSII光破壞不只是蛋白和色素的破壞,而且也存在膜脂分子的傷害(施樺等,1998)。以前,人們認(rèn)為光破壞過程中D1蛋白的降解與PSII中存在的蛋白酶有關(guān),但近來用絲氨酸類蛋白酶抑制劑二異丙基氟磷酸(DFP)并采用同位素標(biāo)記的方法,研究表明光破壞過程中D1蛋白的降解可能還與核心天線CP43有關(guān)(單際修等,1998)。雖然目前已發(fā)現(xiàn)植物體存在許多光抑制的保護(hù)機(jī)制,但不是每種機(jī)制都同等重要,而是在