叶绿素荧光仪和光合仪高分应用文章集锦（2024年3月）

本文我们将回顾一下3月份德国WALZ调制叶绿素荧光仪参与发表的高分文章，其中不乏Nature Plants, Plant Cell, Plant Physiology, The Plant Journal等植物学领域专业期刊。另外还有多篇文章在Nature Communications，New Phytologist等综合类期刊发表。德国WALZ制造的PAM调制叶绿素荧光仪在光合作用研究领域遥遥 领 先~遥遥领 先~

Identification of two key genes involved in flavonoid catabolism and their different roles in apple resistance to biotic stresses (New Phytologist, IF=9.4)虽然黄酮苷元和糖苷的生物合成已经被广泛认知，但是，人们对它们降解中的关键基因却知之甚少，尽管它们的水解和氧化产物在植物抗生物胁迫中起着重要作用。2024年3月1日，西北农林科技大学园艺学院的李鹏民教授团队在New Phytologist上发表题为Identification of two key genes involved in flavonoid catabolism and their different roles in apple resistance to biotic stresses的Z 新研究成果。文章报告了二氢查耳酮(DHCs)的分解过程，DHCs是驯化苹果和野生苹果中Z丰富的黄酮类化合物。通过活性导向蛋白纯化鉴定了两个关键基因BGLU13.1和PPO05。BGLU13.1-A水解根皮苷（驯化苹果中含量Z 高的DHC），产生根皮素，然后根皮素被PPO05氧化。这一过程在一些野生苹果中有所不同，在野生苹果中，PPO05 主要氧化的是三叶苷（根皮素的一种位置异构体）。

该研究采用粗酶提取、大肠杆菌异源表达以及水解和氧化能力测定，HPLC和LC-MS 分析，分子建模，亚细胞定位，RNA 测序和等位基因特异性表达分析，启动子克隆和活性测定，定量PCR分析，生物胁迫处理，TAB染色，叶绿素荧光和叶绿素含量测定等分析手段，研究了DHC分解代谢对苹果抗生物胁迫的影响。根皮苷水解直接或间接影响对植食性害虫双斑红蜘蛛的抗性，而三叶苷的氧化则参与对生物营养真菌Podosphaera leucotricha的抗性。DHC分解代谢不影响苹果对坏死性病原体Valsa mali和Erwinia amylovara的抗性。这些结果表明，不同的DHC分解途径在苹果抵抗生物胁迫的过程中发挥着不同的作用。DHC分解代谢对苹果抗性的作用似乎与病原体/害虫采用的入侵/破坏模式密切相关。本研究中叶绿素荧光参数Fv/Fm的测量通过IMAGING-PAM叶绿素荧光成像系统完成。

Glucose-G protein signaling plays a crucial role in tomato resilience to high temperature and elevated CO2 (Plant Physiology,  IF=7.4)

全 球气候变化的两个关键因素是二氧化碳（CO2）浓度升高和温度上升。植物是地球生态系统的基础，它们对上述两个关键因素的响应和适应能力直接关系到地球生态平衡和人类生存。浙江大学农业与生物技术学院师恺教授课题组前期发现CO2浓度升高可以在一定程度上减轻高温对植物的胁迫效应，增强植物的抗逆能力，然而其潜在的分子机制尚不清楚。2024年3月6日，该课题组的Z 新研究成果在植物生物学领域知名期刊Plant Physiology上以Glucose-G protein signaling plays a crucial role in tomato resilience to high temperature and elevated CO2为题正式发表。该研究揭示了揭示了环境CO2浓度升高，诱发植物葡萄糖 (Glc)-RGS1 (Regulator of G protein signaling 1)-GPA1 (G protein α subunit) 信号激活，进一步通过光合作用和光保护途径调控番茄高温抗性的分子机制。

该研究发现，高CO2浓度及高温共同处理促进番茄叶片质外体Glc含量积累，外源Glc处理显著增强番茄高温抗性；高浓度Glc特异性结合番茄RGS1蛋白并诱导其胞吞，从而削弱RGS1-GPA1蛋白互作强度，激活G蛋白信号。构建rgs1和gpa1突变体，发现RGS1响应CO2-Glc浓度变化负调控番茄高温抗性，而GPA1传导Glc信号，进一步通过影响光合作用和光保护途径中叶绿素a/b结合蛋白、光系统PSΙ/II反应中心亚基、以及RuBP羧化酶小亚基等基因的表达，正调控番茄高温抗性。

在之前的研究中，该课题组发现RGS1-G蛋白可以感知光强等环境变化，传导Glc信号调控番茄对细菌性叶斑病的抗性。在此基础上，本次发表的研究成果S次揭示了植物细胞膜上的RGS1-GPA1复合体响应高CO2浓度和高温等环境变化引起的Glc信号，进一步通过影响下游光合作用及光保护途径相关基因的表达，介导番茄的高温抗性，为理解全 球气候变化下植物的适应性机制，以及设施蔬菜抗性增强的CO2施肥技术研发提供了科学依据。本研究中番茄叶片叶绿素荧光参数Fv/Fm的测量通过MAXI-IMAGING-PAM叶绿素荧光成像系统完成。光系统I光能转换活性通过双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100完成。

Adaptive Evolution of Chloroplast Division Mechanisms during Plant Terrestrialization  (Cell Reports, IF=8.8)

叶绿体起源于蓝细菌与真核宿主细胞的内共生作用，是绿色植物特有的重要细胞器，在光合作用等基本生命活动中发挥关键作用。在漫长演化历程中，植物逐渐形成了调控叶绿体数量和大小的功能机制，以确保细胞内环境的稳定，并在植物生长发育过程中提供其所需光合作用能力。尽管叶绿体分裂已经得到广泛研究，但其核心成员的起源和功能演化仍不清楚。2024年3月13日，上海交通大学农业与生物学院陈诚课题组在Cell Reports发表了题为“Adaptive Evolution of Chloroplast Division Mechanisms during Plant Terrestrialization”的研究论文，相关研究成果揭示了植物叶绿体分裂机制中少数起源于真核宿主细胞的分裂基因更多地参与到帮助植物适应登陆后复杂、多变环境生物学过程的适应性演化机制。

本研究利用Z 新公布的泛植物界物种的基因组和转录组数据，鉴定了不同物种中存在的叶绿体分裂核心成员，并重建了它们的演化史。将完整分裂环结构S次出现的时间点从以往仅限于维管植物，推前到水生植物轮藻中。区别于大多数功能机制的演化，叶绿体分裂是在植物登陆前（例如灰藻）就受到了环境的强烈选择，基因的分散复制为此提供了适应性演化的主要动力。通过利用多组学数据（转录组、蛋白质组、转录调控、单细胞等）开发的基因功能注释工具，进一步表明分散复制演化的叶绿体分裂基因获得了更多物种特异性功能。结合遗传和生理实验，证明了由分散复制演化的叶绿体分裂重要成员PARC6在番茄中获得了除叶绿体分裂功能之外调控植物生长发育的新功能。综上，本研究为叶绿体分裂机制的演化提供了一个综合视角，并强调了基因的分散复制作为叶绿体分裂适应性演化主要来源的潜力。本研究中叶绿素荧光参数Fv/Fm的测量通过IMAGING-PAM叶绿素荧光成像系统完成。

Uncovering the photosystem I assembly pathway in land plants (Nature Plants, IF=18.0)

光合作用通过光系统I和光系统II将太阳的光能转化为化学能，为地球上几乎所有的生命提供能量来源。在这两个光系统中，光系统I(PSI)利用光能催化电子从类囊体膜内侧的质体蓝素或细胞色素c到外侧铁氧还蛋白的跨膜电子传递，其光化学量子产率接近100%，是自然界Z 高效的光能捕获和转化装置。PSI是自然界中Z 大、Z复杂的大分子组装体之一，包含14个蛋白亚基和4个外周天线蛋白(LHCI)以及数百个辅助因子，它们共同形成了PSI-LHCI超级复合物。如此高效复杂的装置是如何组装形成的，一直是科学家们努力探索的问题。

2024年3月19日，国际权威植物学学术期刊Nature Plants在线发表了山东农业大学生命科学学院卢从明教授课题组标题为Uncovering the photosystem I assembly pathway in land plants的研究论文。该文章是光合作用功能调控分子机理研究团队在光合作用光系统I生物发生研究领域取得的Z 新重要成果，研究解析了一个新的光系统I组装因子PBF8在光系统I组装过程中的调控作用，揭示了植物光系统I超级复合物组装的主要途径。对于这一发现，Nature Plants同步在线发表了成果概述，解读陆地植物光系统I超级复合物组装的分子机制。

卢从明教授团队长期致力于PSI超级复合物组装机制的研究。为揭开PSI超级复合物组装之谜，他们通过光谱学方法筛选获得了一系列拟南芥PSI生物发生功能缺陷突变体，pbf8（Photosystem I biogenesis factor 8）突变体就是其中之一。通过一系列分子、生化和遗传研究，发现PBF8参与了PSI超级复合体的组装。通过构建pbf8 PBF8-HA转基因植株，利用HA标签亲和纯化pbf8 PBF8-HA的类囊体膜组分，发现PBF8参与PSI超级组装过程中两个组装中间体的形成，即PSI组装中间体I和II，分别含有8个和9个PSI核心蛋白亚基。这一研究揭示了植物PSI超级复合物组装的主要途径。本研究中叶绿素荧光参数的测量通过便携式叶绿素荧光仪PAM-2500完成，P700差示吸收和PSI光能转换效率通过双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100完成。

A pgr5 suppressor screen uncovers two distinct suppression mechanisms and links cytochrome b6f complex stability to PGR5 (The Plant Cell, IF=11.6)

植物在自然条件下每天经历着由于云层遮挡或树冠阴影而导致的光照强度持续变化。在低光条件下，需要Z 大限度地吸收光能并利用能量来满足光合作用的代谢需求。然而，过量的光又可能会导致有害的活性氧自由基(ROS)的产生，并对光合器官造成不可逆转的损伤，或引发光抑 制。因此，植物如何适应光照波动是光合生物为Z 大限度地提高光能利用效率，同时Z小化过剩光能可能引起损害的关键属性和适应性表现。

已有大量研究结果表明，PROTON GRADIENT REGULATION5(PGR5)被认为能促进循环电子流，其缺乏会损害光合控制并增加光系统(PS)I的光敏性，从而导致波动光照下的幼苗死亡。2024年3月27日，慕尼黑大学生物学院植物生物学Dario Leister教授课题组在植物生物学领域知名期刊The Plant Cell发表题为A pgr5 suppressor screen uncovers two distinct suppression mechanisms and links cytochrome b6f complex stability to PGR5的研究论文。在该研究中，Jan-Ferdinand Penzler等人通过筛选拟南芥(Arabidopsis thaliana)的抑 制突变，发现了12个不同基因的突变组合，这些突变能挽救pgr5植物在波动光照下的幼苗致死性。

研究发现，这些突变影响了PSII功能、Cytb6f组装、质体蓝素积累、CHLOROPLAST FRUCTOSE-1,6-BISPHOSPHATASE1 (cFBP1)或其负调控因子 ATYPICAL CYS HIS-RICH THIOREDOXIN2 (ACHT2)。突变体的特征表明，在大多数情况下，生命力的恢复可以用PSI供体侧限制的恢复来解释，这种限制是由于 PSII、Cytb6f或质体蓝素的缺陷导致流向PSI的电子流减少造成的。cFBP1或其负性调节因子ACHT2失活会导致NADH脱氢酶样复合物水平升高。这种活性的增加可能是在波动的光照条件下抑 制pgr5表型的原因。同时缺乏PGR5和去乙酰化诱导蛋白1(DEIP1)/新微粒ALBINO1 (NTA1)（以前认为它们对细胞色素b6f的组装至关重要）的植物可以存活并积累Cytb6f。研究人员认为PGR5可对Cytb6f复合物产生负面影响，而DEIP1/NTA1可改善这种负面影响。本研究中，叶绿素荧光及P700差示吸收参数的测量通过双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100完成。拟南芥幼苗的叶绿素荧光成像通过蜂巢矩阵叶绿素荧光成像系统HEAXGON-IMAGING-PAM完成。

The thylakoid proton antiporter KEA3 regulates photosynthesis in response to the chloroplast energy status (Nature Communications, IF=16.6)

植物光合作用包含两个基本步骤，即类囊体膜上的光驱动反应和叶绿体基质中的固碳反应。在自然界中，光合作用所需的光照经常会发生巨大而快速的波动。要高效、高产地利用这种多变的光照供应，就需要这两个基本步骤进行即时串联和快速同步。2024年3月30日，德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所Ute Armbruster教授课题组在国际知名综合类期刊Nature Communications上发表题为The thylakoid proton antiporter KEA3 regulates photosynthesis in response to the chloroplast energy status的研究论文。

研究发现光合作用光反应和固碳反应的这种交流涉及到暴露在基质上的类囊体K+交换反转运体KEA3的C端，它可以调节类囊体膜上的ΔpH，从而实现pH依赖性光保护。通过结合生物信息学、体外和体内方法，Michał Uflewski等人证明 KEA3的C端以pH依赖性方式感知叶绿体的能量状态，并调节运输活性。相关的数据共同确定了一个调控反馈回路，基质能量状态通过KEA3的多级调控来协调光捕获和光保护。

附录：参考文献及其他高分文章1. Zhao, Q., et al. (2024). "Identification of two key genes involved in flavonoid catabolism and their different roles in apple resistance to biotic stresses." New Phytologist n/a(n/a).

2. Wang, J., et al. (2024). "Glucose-G protein signaling plays a crucial role in tomato resilience to high temperature and elevated CO2." Plant Physiology.

3. Liu, M., et al. (2024). "Adaptive evolution of chloroplast division mechanisms during plant terrestrialization." Cell reports 43(3).

4. Zhang, A., et al. (2024). "Uncovering the photosystem I assembly pathway in land plants." Nature Plants.

5. Penzler, J.-F., et al. (2024). "A pgr5 suppressor screen uncovers two distinct suppression mechanisms and links cytochrome b6f complex stability to PGR5." The Plant Cell.

6. Uflewski, M., et al. (2024). "The thylakoid proton antiporter KEA3 regulates photosynthesis in response to the chloroplast energy status." Nature communications 15(1): 2792.

7. Arteaga, J. F. M., et al. (2024). "Removal of toxic metals from sewage sludge by EDTA and hydrodynamic cavitation and use of the sludge as fertilizer." Science of The Total Environment: 171444.

8. Kim, M., et al. (2024). "Photoautotrophic cultivation of a Chlamydomonas reinhardtii mutant with zeaxanthin as the sole xanthophyll." Biotechnology for Biofuels and Bioproducts 17(1): 41.

9. Nigishi, M., et al. (2024). "Low-CO2-inducible bestrophins outside the pyrenoid sustain high photosynthetic efficacy in diatoms." Plant Physiology.

10. Niu, Y., et al. (2024). "Dynamics and interplay of photosynthetic regulatory processes depend on the amplitudes of oscillating light." Plant, Cell & Environment n/a(n/a).

11. Su, Y., et al. (2024). "Rhodopseudomonas palustris shapes bacterial community, reduces Cd bioavailability in Cd contaminated flooding paddy soil, and improves rice performance." Science of The Total Environment: 171824.

12. Yang, W., et al. (2024). "HSP70A promotes the photosynthetic activity of marine diatom Phaeodactylum tricornutum under high temperature." The Plant Journal n/a(n/a).

13. Zhang, D., et al. (2024). "Brassinolide as potential rescue agent for Pinellia ternata grown under microplastic condition: Insights into their modulatory role on photosynthesis, redox homeostasis, and AsA-GSH cycling." Journal of hazardous materials 470: 134116.

14. Zhang, Z., et al. (2024). "Mechanistic insight into the impact of polystyrene microparticle on submerged plant during asexual propagules germination to seedling: Internalization in functional organs and alterations of physiological phenotypes." Journal of hazardous materials: 133929.

15. Zhao, L.-S., et al. (2024). "Architecture of symbiotic dinoflagellate photosystem I–light-harvesting supercomplex in Symbiodinium." Nature communications 15(1): 2392.