New Phytol | 石河子大学张旺锋团队与澳大利亚国立大学研究团队合作估算棉花修复受损PSII所需的能量

责编 | 王一

环境胁迫条件下，尽管植物有多种光破坏防御机制，但光合器官的损坏是光合作用不可避免的一个结果，并且PSI和PSII反应中心均会受到光的氧化损伤，单线态氧能够破坏PSII反应中心，超氧阴离子对PSI反应中心具有很强的破坏作用。PSII在弱光条件下的修复速度很快，几个小时内便可完全修复，这主要是由于D1蛋白的迅速周转，受损PSII亚基的快速修复以及重新构建具有功能性的PSII。研究者们试图想要计算出PSII修复所需能量，但目前还没有一种准确的计算方法。

近日，来自石河子大学农学院张旺锋教授团队和澳大利亚国立大学Wah Soon Chow教授团队的研究人员在New Phytologist在线发表了题为“The energy cost of repairing photoinactivated Photosystem II: an experimental determination in cotton leaf discs”的研究论文。该研究估算了修复一个受损PSII所需的能量约为2.4万个ATP，占总碳同化所需ATP的4.6%，为PSII修复的估算提供了一种新思路和新方法。

高等植物PSII的修复通常是在光下进行的，但棉花叶片在黑暗中也可以快速修复PSII，这一特点简化了对PSII修复所需ATP的估算，因为只需要线粒体呼吸就可以满足PSII修复对ATP的需求。结果发现PSII修复速率与暗呼吸速率之间存在线性关系y=7.63x-10.5（图b），斜率表示单位呼吸速率内15 min修复的PSII占总PSII的百分比，进一步推算得出每修复一个受损PSII所需的能量约为2.4万个ATP。

为了量化某段时间内受损PSII修复所需ATP与碳同化所需ATP的比例关系，需分别确定这段时间内PSII修复的累积量和碳同化的积累量。光照条件下，PSII钝化与修复同时进行，功能性PSII（f）为修复抵消同时发生钝化的最终结果（图e），f的净变化速率随时间t的关系为：df/dt=kr(1-f)-kif，kr和ki分别为修复和钝化系数，kr(1-f)和kif分别为修复速率和钝化速率。实际在不同光强下，kr随时间的变化而降低，kr(t) = kr(0) / (1 + t/)，表示修复系数从开始下降到一半时的时间，那么df/dt=[kr(0)/(1+t/)](1f)kif，PSII修复的绝对量可表示为1.76 kr(t)[1-f(t)]，1.76为单位面积叶片总的PSII含量，[1-f(t)]为总的PSII含量中不具有功能性的PSII部分，7小时内PSII修复累积的量为∑PSIIrepaired，7小时内PSII修复所需总的ATP为∑PSIIrepaired乘以24000ATP(PSIIrepaired)-1。为了与∑PSIIrepaired相比较，确定了7小时净碳同化的累积量（图f）。由于固定一个CO2分子需要3个ATP，7小时内碳同化所需的ATP为净碳同化累积量乘以3。基于以上结果，得出如下结论：用于PSII修复所需ATP与净碳同化所需ATP的比例为6.5%，与总碳同化所需ATP的比例为4.6%。

石河子大学为该论文第一作者单位，该校作物学毕业博士生易小平和姚贺盛为该文共同第一作者，分别于2016年和2017年在澳大利亚国立大学Wah Soon Chow教授实验室留学，现就职于西南大学农生院，石河子大学张旺锋教授和张亚黎教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员、北京林业大学樊大勇教授以及巴里大学的Pasquale Losciale教授参与了研究工作。该研究得到国家自然科学基金项目、澳大利亚研究委员会、CAS战略优先研究项目和国家留学基金委员会的资助。

石河子大学张旺锋教授“棉花高产优质栽培理论与技术”团队主要开展棉花产量生理与高产栽培技术研究。结合新疆绿洲光热资源及灌溉农业的特点，在棉花光合作用与逆境生理、产量形成的生理生态基础、优质高效栽培的技术及其理论、机采棉品质提升的农艺配套技术等方面开展了大量卓有成效的工作。先后承担完成国家科技支撑计划、国家自然科学基金项目等国家级项目20多项；发表学术论文200余篇；获省部级科技进步一、二等奖7项，在新疆棉花高产生理生态与栽培技术研究领域取得重要成果。

论文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18165