叶绿素荧光仪和光合仪高分应用文章集锦（2024年6月）

2024-07-18428

本文我们将回顾一下6月份德国WALZ调制叶绿素荧光仪参与发表的9篇高分文章，其中Nature Communications (1篇)；Science Advances (2篇)，The Plant Cell (1篇)，New Phytologist (1篇), Plant Physiology (1篇), The Plant Journal (3篇)。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~

Absence of alka(e)nes triggers profound remodeling of glycerolipid and carotenoid composition in cyanobacteria membrane (Plant Physiology, IF=6.5)

烷烃由许多生物体产生，并表现出多种生理作用，反映了高度的功能多样性。烷烃在植物中充当防水蜡，为昆虫传递信息素，以及在某些细菌中充当微生物信号分子。尽管在蓝藻和藻类叶绿体中发现了烷烃，但它们对光合膜的重要性仍然难以捉摸。

2024年6月7日，Plant Physiology在线发表法国艾克斯马赛大学Gilles Peltier实验室题为"Absence of alka(e)nes triggers profound remodeling of glycerolipid and carotenoid composition in cyanobacteria membrane"的研究论文。在这项研究中，Rui Miao等人使用蓝藻集胞藻 PCC6803 作为模式生物，研究了烷烃缺失对膜脂组成和光合作用的影响。通过跟踪膜脂动态和烷烃生物合成缺陷和改变的菌株的光合性能，研究发现在烷烃不存在的情况下，甘油脂含量会发生剧烈变化，包括膜脂质含量的减少类胡萝卜素含量，一些双半乳糖二酰甘油(DGDG)种类减少，单半乳糖二酰甘油(MGDG)种类平行增加。这些变化与缺乏碱性菌株的光合作用和生长对强光的敏感性更高有关。所有这些表型都可以通过表达从脂肪酸产生烷烃的藻类光能酶来逆转。因此，尽管烯烃丰度较低，但它是膜脂质组成的重要组成部分。由于它们的缺失而导致的脂质组成的深刻重塑表明它们在蓝细菌的一种或多种膜特性中发挥着重要作用。此外，观察到的脂质补偿机制不足以恢复光合膜的正常功能，特别是在高光强度下。本研究得出的结论是，烷烃在维持类囊体膜的脂质稳态方面发挥着至关重要的作用，从而有助于光合作用的正常发挥，特别是在较高的光强度下。

Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1 noncoding sequences for transgene-free overexpression (Science Advances, IF=11.7)

优化光合效率是开发更可持续和高产作物品种的一个非常有前途的策略。这一方法有可能显著提高田间作物的农艺性状，已有几项突破性成果证明了这一点，例如构建新的光呼吸支路、提高替代电子传递途径的效率或增加热耗散NPQ。2024年6月7日，Science Advances在线发表美国加州大学伯克利分校植物与微生物生物学系Krishna K. Niyogi课题组题为"Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1 noncoding sequences for transgene-free overexpression"的最新研究论文。报道了该研究小组通过CRISPR/Cas9工具编辑植物中自然存在的参与光保护过程的基因来改变光合作用。

研究人员通过对水稻PSBS1基因上游的非编码序列进行了多重CRISPR-Cas9诱变，借助利用高通量筛选方法分离出了120个基因编辑的等位基因，基因敲除到过表达使得它们在体内具有不同的非光化学淬灭(NPQ)能力。过表达使OsPsbS1蛋白丰度增加了两到三倍，与转基因获得的倍数变化相当。PsbS蛋白丰度的提高增强了NPQ 能力和水分利用效率。在本研究解决的遗传变异中，研究人员发现了5′UTR 插入缺失和倒位在分别驱动基因敲除/敲低和过表达表型中的作用。复杂的结构变异，如这里产生的252 kb的重复/倒位，证明了CRISPR-Cas9在促进基因组重大变化方面的潜力，而对转录组的脱靶扰动可以忽略不计。相关的研究结果可为未来针对超常等位基因的基因编辑策略提供参考，并推动了对具有加速光保护弛豫的基因编辑非转基因水稻植物的研究。

本研究中，高通量筛选编辑等位基因的大致流程如下，通过农杆菌介导的转化方法将针对PSBS1基因上游特定gRNA位点的CRISPR-Cas9构建体引入水稻愈伤组织，生成了覆盖PSBS1表达水平范围(从敲除(KO)到过表达(OX))的突变等位基因库。使用高通量叶绿素荧光筛选评估不同等位基因的NPQ能力，从78株二倍体T0植株中鉴定出稳定、可遗传的表型。其中叶绿素荧光的测量通过叶绿素荧光成像系统MAXI-IMAING-PAM完成。

另外，植物表型与蛋白表达关系的研究结果是鉴定出两种显著提高PsbS蛋白丰度和NPQ的等位基因，但OX等位基因的频率较低(1.67%)。研究发现，OX等位基因使OsPsbS1蛋白丰度增加了两到三倍，增强了NPQ能力和iWUE。PsbS丰度和NPQ之间存在对数关系，表明PsbS丰度的微小增加对NPQ能力的影响很小，这导致在筛选过程中KO/KD突变的富集。

结构变异和表型效应的研究发现，5′UTR插入/缺失和倒位在推动KO/KD和OX表型中起着重要作用。复杂的结构变异(如252-kb的重复/倒位)显著影响基因表达，而不会引起主要的脱靶转录组扰动。转录组分析显示，在重复/倒位区域内外的差异表达基因，表明基因调控的目标性和特异性。

气体交换和红光依赖的表型研究发现，PSBS1的过表达在非常高的光强下增加了NPQ能力，但也显示了在中等光强下PsbS蛋白丰度和iWUE之间的强相关性。这表明除了NPQ之外，其他因素(如类囊体醌的氧化还原状态)可能参与了在不同光照条件下调节光合作用和气孔导度。

总之，本研究的诸多发现强调了CRISPR-Cas9在通过靶向基因编辑产生显著遗传变异和改善农艺性状方面的潜力。高通量筛选方法有效地鉴定出理想表型，但OX等位基因的低频率表明随机顺式调控元件诱变的挑战。理解顺式调控机制并改进基因编辑策略，有助于开发具有显著农艺效益的小效应等位基因。

Seasonal dynamics and punctuated carbon sink reduction suggest photosynthetic capacity of boreal silver birch is reduced by the accumulation of hexose (New Phytologist, IF=8.3)

植物光合作用和呼吸对环境因素(例如光、空气温度和湿度、大气CO₂和土壤水)的响应已得到广泛研究。叶子的光合作用和呼吸作用也与植物的内部状态密切相关，其特征是非结构碳水化合物 (NSC) 和氮 (N) 浓度以及水势。然而，与外部环境变量相比，叶片气体交换率对叶片内部 NSC 浓度变化的响应受到的关注较少。

2024年6月9日，New Phytologist在线发表芬兰赫尔辛基大学Manqing Tian等人标题为Seasonal dynamics and punctuated carbon sink reduction suggest photosynthetic capacity of boreal silver birch is reduced by the accumulation of hexose的研究论文。该研究旨在探讨叶子气体交换率和光合能力是否与芬兰南部自然条件下在广泛时间尺度上运行的成熟银桦树叶的NSC浓度相关。研究人员监测了三个生长季节上冠的叶片气体交换率。在进行叶气体交换测量的同时，还测定了NSC成分。这些NSC在包括白桦在内的许多树种的生长季节中具有足够高的浓度和时间变化，因此可以轻松检测与气体交换变量的关系。为了理清气体交换调节的其他潜在因素，研究人员监测了叶片水势、含水量和氮浓度。由于NSC浓度和气体交换都具有强烈的外部驱动的季节性动态，可能导致相关性而不是因果关系，因此研究人员施加了实验扰动。他们通过不可逆环剥模拟了上冠枝条库强度的降低，这使得可以进一步将源和库强度的季节性变化的影响与内部减少库的潜在更快表现分开。Manqing Tian等人假设，在生长季节环割成熟树木的嫩芽将在NSC和光合能力之间产生与三个季节观察到的类似的负相关性，后者反映了这些变量的典型季节动态(H1)。为了促进调节的特异性的提高，他们依靠上述对己糖激酶信号传导的观察来推测光合能力与己糖之间将出现比与其他糖、淀粉或其组合更强的关系(H2)。

The MdHSC70-MdWRKY75 module mediates basal apple thermotolerance by regulating the expression of heat shock factor genes (The Plant Cell, IF=10.0)

苹果是高经济价值的水果之一，对人类健康和促进我国北方农民增收、乡村振兴及生态环境改善等方面发挥重要作用。我国是世界上最大的苹果生产和消费国，但大多数苹果产区夏季高温，导致苹果生长发育不良，严重制约了苹果产业的优质高效发展。因此，挖掘和鉴定苹果耐热基因，探究苹果热胁迫的调控机制，能够为苹果耐热分子设计育种提供理论依据和基因资源，对全球气候变暖背景下苹果产业可持续发展具有重要意义。

2024年6月12日，国际知名植物学期刊The Plant Cell在线发表了西北农林科技大学作物抗逆与高效生产全国重点实验室/园艺学院苹果抗逆与品质改良创新团队马锋旺/李超课题组题为“The MdHSC70-MdWRKY75 module mediates basal apple thermotolerance by regulating the expression of heat shock factor genes”的研究论文，揭示了MdHSC70-MdWRKY75模块调控MdHsfs参与苹果耐热性的新机制。

在该研究中，作者首先发现MdWRKY75的表达受热胁迫诱导上调。随后，作者通过遗传转化技术获得了MdWRKY75过表达和干扰苹果植株，对转基因植株进行高温处理后发现，MdWRKY75正调节苹果耐热性(图1)。通过RNA-seq、DAP-seq以及RT-qPCR试验筛选到MdWRKY75在热胁迫下的5个潜在靶基因。EMSA、酵母单杂交、GUS和双荧光素酶试验证明MdWRKY75正调控热激转录因子MdHsf4、MdHsfB2a和MdHsfA1d的表达。通过瞬时转化技术证明这三个热激转录因子均正调节苹果耐热性。在MdWRKY75-Ri3的背景下对这三个MdHsfs进行过表达均能挽救其热敏感表型，说明MdWRKY75的耐热性是通过激活这三个热激转录因子的表达实现的。

随后，作者通过酵母双杂交筛库筛选到与MdWRKY75互作的热激蛋白MdHSC70。分别通过瞬时过表达和VIGS技术证明MdHSC70是苹果耐热性的负调节因子。GUS、双荧光素酶和EMSA试验证明MdHSC70通过与MdWRKY75互作并抑制其对MdHsfs的激活作用。在MdWRKY75-OE3的背景下分别对MdHSC70进行瞬时过表达和沉默后发现，过表达MdHSC70显著降低了MdWRKY75-OE3的耐热性，而沉默MdHSC70的植株耐热性与MdWRKY75-OE3无显著差异，表明MdHSC70的热敏表型是由MdWRKY75介导的。

综上所述，该研究明确了MdWRKY75通过激活MdHsfs的表达正调控苹果耐热性的生物学功能，阐明了MdHSC70与MdWRKY75互作并抑制其对MdHsfs调控的分子机制(图2)。研究结果丰富了苹果应对高温环境的分子调控网络，也为苹果的分子定向育种提供基因资源和理论基础。

Symbionts out of sync: Decoupled physiological responses are widespread and ecologically important in lichen associations (Science Advances, IF=11.7)

当多种生物共生时，它们必须协调新陈代谢和生理机能，以维持共生关系。如果共生体对应激源的反应不对称，这种协调就会瓦解，导致共生体解体，尤其是在气候紊乱的情况下。尽管最近在珊瑚等一些共生体中发现了应激引起的共生体解体(失调)现象，但在许多具有重要生态和进化意义的共生体中，这种现象仍未得到充分研究，其中包括第一个被认为是共生体的共生体：地衣。

2024年6月14日，Science Advances杂志在线发表美国明尼苏达大学Daniel E. Stanton实验室题为Symbionts out of sync: Decoupled physiological responses are widespread and ecologically important in lichen associations的研究论文。在本研究中，Abigail R. Meyer等人研究了地衣(Evernia mesomorpha)中这种不对称的生理、生态和转录基础。这种碳平衡的不对称性取决于水合来源，并与气候范围的限制相一致。E. mesomorpha共生体的基因表达差异表明，主要地衣共生体的生理结构是分离的。此外，研究人员还利用气体交换数据表明，碳平衡的不对称性在进化过程中不同的地衣共生体中普遍存在。以碳平衡不对称为例，他们为共生体中生理不对称的广泛重要性提供了证据。

Structural basis for an early stage of the photosystem Ⅱ repair cycle in Chlamydomonas reinhardtii (Nature Communications, IF=14.7)

光系统Ⅱ(PSⅡ)利用光能催化水氧化裂解和质体醌还原。在高光照条件下，它极易受到光损伤，受损的PSⅡ需要通过称为PSⅡ修复循环(PSII repair cycle)的过程进行修复。PSⅡ修复循环是一个多步骤的复杂过程，其中包括：(i)PSⅡ核心亚基的可逆磷酸化；(ii)PSⅡ核心的单聚体化和从基粒垛叠区到基质区的横向迁移；(iii)PSⅡ的部分解体；(iv)受损D1的蛋白水解降解；(v) 用新的拷贝替换受损的D1蛋白；(vi) PSⅡ单聚体的重新组装和迁移回基粒垛叠区进行二聚化和超复合物组装。即便如此，PSII修复过程的详细分子机制仍然难以捉摸。

2024年6月18日，Nature Communications杂志在线发表中科院生物物理所柳振峰研究员实验室和西湖大学李小波研究员实验室联合署名的标题为"Structural basis for an early stage of the photosystem Ⅱ repair cycle in Chlamydomonas reinhardtii"的研究论文。文章对绿藻莱茵衣藻PSⅡ修复循环的早期阶段进行了详细的结构和生化分析，突破性的报告了一个PSⅡ修复中间复合物的生物化学特性和结构特征。这一发现不仅加深了我们对光合机构修复过程的了解，还为提高作物对光诱导胁迫的修复和适应能力指明了潜在的改良方向和策略。

为了捕捉PSII修复过程的中间复合物，研究人员使用了遗传和生化结合的方法。研究人员利用CRISPR-Cas9生成了特定PSII修复相关因子敲除的突变体。然后在强光条件下培养这些突变体，诱导光损伤并分离出PSII修复复合物。采用蔗糖密度梯度超速离心法分离光合复合物，从而确定了含有修复中间体的PSⅡ-M 部分。利用单颗粒低温电子显微镜(cryo-EM)对这些复合物进行了结构表征，从而对 PSⅡ修复过程中的分子相互作用有了高分辨率的了解。

研究发现，该复合物可能停滞在莱茵衣藻PSⅡ修复过程的早期阶段。该复合体包含三个与受损的PSⅡ核心相关的蛋白因子，即类囊体富集因子14(TEF14)、光系统Ⅱ修复因子1(PRF1)和光系统Ⅱ修复因子2(PRF2)。TEF14、PRF1和PRF2可分别促进锰稳定蛋白PsbO的释放、外围采光复合物与PSⅡ的解体以及QB位点的阻断。其中TEF14与CP47的囊腔表面结合，促进了锰稳定蛋白PsbO的释放和受损 D1蛋白的降解；PRF1和PRF2则起到稳定和保护PSⅡ的作用。TEF14与PSⅡ核心的相互作用是修复过程中的关键一步。通过与CP47在类囊体腔侧面结合，TEF14促进了PsbO的解离，而PsbO是降解受损的D1蛋白质所必需的。这种相互作用确保了受损成分的有效周转，防止了功能失调的PSⅡ复合物的积累。PRF1和PRF2都是单通道跨膜蛋白，在修复过程中对稳定PSⅡ复合物起着至关重要的作用。特别是PRF1，它与蓝藻的Psb34和植物特有的MPH1在功能上有相似之处，这表明了它们在进化过程中的保守性。研究表明，这些蛋白有助于维持PSⅡ复合物的完整性，从而实现有效地修复和重新组装。此外，还有一个α-生育酚醌分子位于细胞色素b559的血红素基团附近，充当细胞色素b559的光保护电子受体，可能的作用是通过阻止活性氧的产生而发挥光保护作用。

本研究的发现对我们了解光合作用效率和植物恢复能力具有深远影响。通过阐明TEF14、PRF1和PRF2在PSⅡ修复过程中的作用，研究人员可以探索增强作物修复机制的新策略，从而提高抗逆性和生产力。

Metabolomics and transcriptomics analysis revealed the response mechanism of alfalfa to combined cold and saline-alkali stress (The Plant Journal, IF=6.2)

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是世界上最重要的多年生豆科牧草之一，因其品质好、蛋白含量高、生态适应性广等优势，被称为“牧草之王”。全球土壤盐碱化面积逐年扩大，低温等极端天气时常发生。苜蓿具有较强的抗旱、抗寒、抗盐碱等特性，在中高纬度盐碱地种植紫花苜蓿不仅可以开发利用盐碱地、减缓土壤盐碱化趋势，还可以缓解其与粮食作物争夺土地的矛盾。前人研究大多集中在苜蓿在单一寒冷或盐碱胁迫下分析，缺乏对苜蓿在寒冷和盐碱胁迫下的全面研究。因此，研究植物对低温和盐碱复合胁迫的响应机制对提高农业和畜牧业生产水平具有重要意义。

2024年6月29日，The Plant Journal杂志在线发表了哈尔滨师范大学郭长虹教授团队题为“Metabolomics and transcriptomics analysis revealed the response mechanism of alfalfa to combined cold and saline-alkali stress”的研究论文，揭示了紫花苜蓿对低温和盐碱复合胁迫的响应机制。在本研究中，Lei Liu等人利用多组学分析了两种苜蓿(肇东[ZD]和蓝月亮[BM])对冷和盐碱胁迫的复杂响应机制。结果表明，ZD比BM具有更强的承受综合压力的能力。两个品种的三羧酸循环对联合胁迫做出积极反应，ZD积累了更多的糖、氨基酸和茉莉酸。两个品种的类黄酮生物合成途径基因表达量和类黄酮含量存在显着差异。加权基因共表达网络分析和基于RNA-Seq数据的共表达网络分析表明MsMYB12基因可能通过调节类黄酮生物合成途径来响应组合胁迫。MsMYB12可以直接结合MsFLS13的启动子并促进其表达。此外，MsFLS13过表达可以增强黄酮醇积累和抗氧化能力，从而提高综合应激耐受性。这些研究结果为提高苜蓿对寒冷和盐碱联合胁迫的抗性提供了新的见解，表明黄酮类化合物对于植物抵抗联合胁迫至关重要，并为未来的育种计划提供理论指导。

The adaptive mechanisms of the marine diatom Thalassiosira weissflogii to long‐term high CO2 and warming (The Plant Journal, IF=6.2)

众所周知，溶解二氧化碳浓度的增加和海面温度的上升(海洋变暖)可以对海洋浮游植物产生相互作用，但在长期进化规模上这种相互作用的最终分子机制相对尚未被探索。

2024年6月29日，The Plant Journal杂志在线发表了广州大学金鹏老师课题组题为"The adaptive mechanisms of the marine diatom Thalassiosira weissflogii to long‐term high CO₂ and warming"的研究论文。在该研究中，Yunyue Zhou等人对适应变暖和/或高二氧化碳条件约3.5年的海洋硅藻(Thalassiosira weissflogii)进行了转录组学和定量代谢组学分析以及生理特征分析。研究发现，长期变暖对基因表达的影响比二氧化碳浓度升高的影响更明显，从而导致更多的差异表达基因(DEG)。在适应变暖+高二氧化碳的人群中观察到最大数量的DEG，表明这些因素之间存在潜在的协同相互作用。研究人员进一步确定了DEG发挥作用的代谢途径以及丰度显着变化的代谢物。他们发现，核糖体生物合成相关途径被上调，以满足变暖或变暖与高二氧化碳相结合后增加的物质和能量需求。这导致能量代谢途径的上调，例如糖酵解、光呼吸、三羧酸循环和氧化戊糖磷酸途径以及相关代谢物。这些代谢变化有助于补偿光化学效率和光合作用的降低。本研究强调核糖体生物合成的上调在促进浮游植物适应全球海洋变化方面发挥着重要作用，并阐明了全球变化背景下变暖和高二氧化碳对海洋浮游植物适应的相互作用影响。

Sexually dimorphic acetyl‐CoA biosynthesis and utilization in response to drought and exogenous acetic acid (The Plant Journal, IF=6.2)

柳树是一种非常常见的河道绿化树种，但是你知道吗？与雄性柳树相比，雌性柳树表现出更强的耐旱性，并且更多地受益于外源乙酸(AA)提高的耐旱性。然而，驱动这些性别特异性反应的潜在机制仍不清楚。

2024年6月30日，The Plant Journal杂志在线发表了四川大学生科院张胜教授课题组题为"Sexually dimorphic acetyl‐CoA biosynthesis and utilization in response to drought and exogenous acetic acid"的研究论文。在本研究中，研究人员为了全面研究柳树对干旱和外源 AA的性二态性响应机制，对暴露于干旱和AA干旱处理的雌性和雄性桃金娘柳进行了生理、蛋白质组、赖氨酸乙酰蛋白质组和转基因分析，重点关注蛋白质丰度和赖氨酸乙酰化 (LysAc)变化。耐旱雌性遭受干旱引起的光合作用和氧化损伤较少，并且不会像对干旱敏感的雄性那样强烈激活AA和乙酰辅酶A生物合成、TCA循环、脂肪酸代谢和茉莉酸信号传导。外源性AA会导致男性内源性 AA 过度积累，并抑制乙酰辅酶 A 的生物合成和利用。然而，外源AA极大地增强了乙酰辅酶A的生物合成和利用，并进一步增强了雌性的抗旱性能，这可能决定了AA比雄性更能提高雌性的耐旱性。有趣的是，乙酰辅酶A合成酶(ACS)的过度表达可以重新编程脂肪酸，增加LysAc水平，并提高耐旱性，这凸显了ACS衍生的乙酰辅酶A在干旱反应中的参与。此外，干旱和外源AA诱导柳树中与组蛋白、转录因子和代谢酶相关的性二态性LysAc。特别是，外源AA可以通过降低LysAc水平和增加光合蛋白的丰度来极大地提高S. myrtillacea雄性的光合能力。虽然糖酵解、TCA循环和脂肪酸生物合成中的过度乙酰化可能作为负反馈，以适应干旱胁迫的雄性和施用AA的雌性的乙酰辅酶A生物合成和利用。因此，乙酰辅酶A的生物合成和利用决定了桃金娘对干旱和外源AA的性二态性反应。

参考文献

1. Miao, R., et al. (2024). "Absence of alka(e)nes triggers profound remodeling of glycerolipid and carotenoid composition in cyanobacteria membrane." Plant Physiology.

2. Patel-Tupper, D., et al. (2024). "Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1 noncoding sequences for transgene-free overexpression." Science Advances 10(23): eadm7452.

3. Tian, M., et al. (2024). "Seasonal dynamics and punctuated carbon sink reduction suggest photosynthetic capacity of boreal silver birch is reduced by the accumulation of hexose." New Phytologist n/a(n/a).

4. Zhang, Z., et al. (2024). "The MdHSC70-MdWRKY75 module mediates basal apple thermotolerance by regulating the expression of heat shock factor genes." The Plant Cell.

5. Meyer, A. R., et al. (2024). "Symbionts out of sync: Decoupled physiological responses are widespread and ecologically important in lichen associations." Science Advances 10(24): eado2783.

6. Li, A., et al. (2024). "Structural basis for an early stage of the photosystem II repair cycle in Chlamydomonas reinhardtii." Nature communications 15(1): 5211.

7. Liu, L., et al. (2024). "Metabolomics and transcriptomics analysis revealed the response mechanism of alfalfa to combined cold and saline-alkali stress." The Plant Journal n/a(n/a).

8. Zhou, Y., et al. (2024). "The adaptive mechanisms of the marine diatom Thalassiosira weissflogii to long-term high CO2 and warming." The Plant Journal n/a(n/a).

9. Xia, L., et al. (2024). "Sexually dimorphic acetyl-CoA biosynthesis and utilization in response to drought and exogenous acetic acid." The Plant Journal n/a(n/a).

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