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光合作用電子傳遞鏈響應環(huán)境變化的4種短期調(diào)控機制
日期：2025-02-27 17:47:27

自然條件下，植物常常處于光強快速變化的環(huán)境中。類似的狀況可能會導致光合作用電子傳遞速率和下游還原劑合成對電子的消耗速率不匹配，即光化學反應轉(zhuǎn)化激發(fā)能供給的電子和暗反應二氧化碳固定對還原劑消耗不協(xié)調(diào)。過剩的激發(fā)能和電子會誘發(fā)活性氧產(chǎn)生，增加光合作用系統(tǒng)損壞的風險。幸運的是，植物已經(jīng)進化出了廣泛而有效的調(diào)節(jié)機制，使它們能夠應對光強的波動，避免或減少光氧化脅迫。在光合電子傳遞鏈水平上主要有以下幾種短期光保護機制：1、狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即光系統(tǒng)II捕光天線復合物LHCII磷酸化/去磷酸化動態(tài)與PSII或PSI結(jié)合，實現(xiàn)PSII和PSI之間光吸收的優(yōu)化；2、替代電子傳遞途徑，即通過不同的替代電子傳遞通路重新分配電子流，主要包括由NADH脫氫酶樣復合物(NDH)或質(zhì)子梯度調(diào)節(jié)因子(PRG5-PGRL1)介導的環(huán)式電子傳遞(CET)；3、非光化學淬滅(NPQ)，即依賴類囊體腔酸化產(chǎn)生的ΔpH誘導的LHCII中過剩激發(fā)能的耗散，以保護光合作用裝置免受光氧化損傷；4、光合控制，由Cytb6f復合物為核心的電子傳遞調(diào)節(jié)機制，它通過類維持高類囊體腔ΔpH對Cytb6f中線性電子傳遞的質(zhì)體醌(PQH2f)氧化進行反饋調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)控制電子傳遞的目的。這些機制如同精密的傳感器網(wǎng)絡，能在數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)動態(tài)響應光照強度、溫度波動等環(huán)境變化。

1、狀態(tài)轉(zhuǎn)換：光系統(tǒng)間能量平衡的"配平器"
由于光合作用的兩個系統(tǒng)(P680&P700)具有不同的光吸收特性，光照條件的變化會導致兩個光系統(tǒng)的激發(fā)率不相等，從而降低光合作用產(chǎn)量。狀態(tài)轉(zhuǎn)換(State Transition)是植物平衡光系統(tǒng)II(PSII)和光系統(tǒng)I(PSI)間能量分配的核心機制，光合生物能夠通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換在短期內(nèi)平衡PSII和PSI的天線系統(tǒng)之間的光激發(fā)能。這一過程最早是20世紀60年代末在藻類中被發(fā)現(xiàn)和描述的，但是狀態(tài)轉(zhuǎn)換并不局限于藻類，陸生植物和藍藻中也會發(fā)生。只不過與高等植物相比，狀態(tài)轉(zhuǎn)換對綠藻和藍藻的影響較大，因為這些生物的葉綠體呼吸活性比植物要高得多，這意味著PQ庫在黑暗中將處于更還原的狀態(tài)。通常認為，衣藻是研究狀態(tài)轉(zhuǎn)換的絕佳模式生物。

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http://doi.org/10.1093/plphys/kiac002

調(diào)控狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制的元件包括STN7(衣藻中的同源蛋白為STT7)激酶和TAP38(也稱PPH1)去磷酸化酶。STN7激酶定位于類囊體基質(zhì)側(cè)，受PSII反應中心氧化還原狀態(tài)調(diào)控。TAP38/PPH1磷酸酶依賴PSI側(cè)的低還原力環(huán)境激活。當光環(huán)境更有利PSII光捕獲時，其激發(fā)能過剩會導致還原力堆積。此時，LHCII復合體通過STN7激酶介導的磷酸化修飾脫離PSII，遷移至PSI形成PSI-LHCI-LHCII超級復合體(狀態(tài)Ⅰ→狀態(tài)Ⅱ)。反之，當光環(huán)境優(yōu)先激發(fā)PSI時，磷酸酶(如TAP38/PPH1)去除磷酸基團，LHCII回歸PSII(狀態(tài)Ⅱ→狀態(tài)Ⅰ)。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換測量的經(jīng)典方法是77K熒光發(fā)射光譜，77k 熒光指的是在零下196度的溫度條件下觀測的葉綠素熒光，77K下只有物理過程，沒有生化過程，這樣的低溫條件避免了與溫度有關(guān)的酶反應和電子傳遞對熒光測量的影響，因此只有原初光化學反應的變化才能被反映出來。目前77K 熒光常用于兩個光系統(tǒng)之間狀態(tài)轉(zhuǎn)化的研究，反應光能在兩個光系統(tǒng)間的分配。典型的77K熒光發(fā)射光譜有兩個峰，分別是685-695nm和715-730nm，其中后者長波熒光峰是PSI的重要表征，已經(jīng)確定它是PSⅠ的捕光色素蛋白復合物LHC I上的Chla發(fā)出的熒光。通過測量不同光環(huán)境誘導條件下制備樣品的77K熒光發(fā)射光譜，可以判斷光系統(tǒng)處于狀態(tài)I或者狀態(tài)II，通過光譜曲線的振幅可以衡量狀態(tài)轉(zhuǎn)換活性的高低。

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The Chlamydomonas Sourcebook: Organellar and Metabolic Processes

Chapter22 State Transition, Jean-David Rochai

除此之外，也可以用PAM葉綠素熒光儀來測量狀態(tài)轉(zhuǎn)換。它的原理很簡單，即狀態(tài)I時LHCII在光系統(tǒng)II，此時PSII天線尺寸正常，F(xiàn)m’正常。狀態(tài)I到狀態(tài)II的轉(zhuǎn)換導致PS II天線尺寸變小和較低的Fm值。因此只需要在紅光-遠紅光-紅光-遠紅光的交替照光序列下連續(xù)記錄F和Fm’的變化，即可用曲線的動態(tài)變化來表征狀態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)生和強度。

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PAM葉綠素熒光儀測量狀態(tài)轉(zhuǎn)化的文獻實例

2、替代電子傳遞途徑：電子流的"應急通道"
光合電子傳遞分為線性電子傳遞(LET)和環(huán)式電子傳遞(CET)兩種。線性電子傳遞過程中，電子經(jīng)PSII、Cytb6f和PSI最終傳遞到NADP+產(chǎn)生NADPH，同時形成跨類囊體膜的質(zhì)子梯度驅(qū)動ATPase生成ATP。環(huán)式電子傳遞是圍繞PSI進行的，沒有PSII的參與，傳遞到PSI的電子最終傳回Cytb6f，該過程中沒有NADPH的生成，只產(chǎn)生跨膜的質(zhì)子梯度用于合成ATP。環(huán)式電子傳遞是光合作用中重要的調(diào)節(jié)過程，有助于保持光合生物生長代謝所需的ATP/NADPH比例，避免PSI損傷，并通過酸化類囊體腔側(cè)引發(fā)光保護，從而保證光合作用的高效進行。
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DOI：10.1104/pp.20.00850

被子植物中有兩種部分冗余的CET途徑，這兩種途徑都依賴鐵氧還蛋白(Fd)還原PQ。在藍藻和C4植物中，CET主要是由葉綠體NADPH脫氫酶類(NDH)復合物介導；而在C3植物中，CET主要是由PGR5/PGRL1(質(zhì)子梯度調(diào)控蛋白5/質(zhì)子梯度調(diào)節(jié)類蛋白1)介導。當光反應產(chǎn)生還原劑(NADPH)的速率與暗反應固定二氧化碳消耗還原劑的速率不協(xié)調(diào)時，當線性電子傳遞受阻時，環(huán)式電子傳遞通過NDH復合體或PGR5-PGRL1通路將電子從鐵氧還蛋白(Fd)回傳至質(zhì)體醌(PQ)庫，維持跨膜質(zhì)子梯度(ΔpH)，為ATP合成提供動力。其中NDH依賴途徑類似線粒體復合體I，催化PQ還原并泵送質(zhì)子。PGR5-PGRL1途徑通過Fd-PQ氧化還原循環(huán)，不直接參與質(zhì)子轉(zhuǎn)運。NDH復合體嵌入類囊體膜基質(zhì)側(cè)，由ndh基因家族編碼。PGR5-PGRL1定位于類囊體非堆疊區(qū)，受光強和ROS信號誘導。

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圖片來自《光合作用研究技術(shù)》

圍繞PSI的環(huán)式電子傳遞活性測定目前有兩種比較常用的方法：1、測量作用光關(guān)閉后的葉綠素熒光瞬時上升的方法(Post-illumination transient increase in chlorophyll fluorescence)，該方法主要用來測量NDH介導的環(huán)式電子傳遞，因此該方法也稱為NDH活性測量。該方法測量的流程非常簡單，使用暗適應的葉片先在測量光下記錄最小熒光Fo，之后用光化光誘導樣品達到穩(wěn)態(tài)，最后關(guān)閉光化光記錄熒光信號的上升。根據(jù)作用光關(guān)閉后熒光信號上升曲線的斜率來評定循環(huán)電子傳遞的快慢，斜率越大，循環(huán)電子傳遞速率越快，反之越慢。2、測量P700+暗還原的方法(dark-reduction of P700+)。該方法基于的原理是所有環(huán)式電子傳遞的電子最終都會流回PSI供體測，因此可以通過測量氧化態(tài)P700+還原的速率來衡量環(huán)式電子傳遞。該方法的操作流程大致如下：首先用遠紅光將PSI氧化，產(chǎn)生P700+，等到PSI的氧化穩(wěn)定后，關(guān)閉遠紅光，記錄P700+信號的還原。計算遠紅光關(guān)閉后P700+暗還原的初速率(即0-1s的最大斜率)來反映循環(huán)電子傳遞速率的快慢，斜率越大，循環(huán)電子傳遞越快，反之越慢。

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PAM熒光儀測量環(huán)式電子傳遞的文獻實例

3、非光化學淬滅：過剩激發(fā)能的"安全出口"
非光化學淬滅(NPQ)是植物應對高光脅迫的另一種重要保護機制。在自然條件下，驅(qū)動光合電子傳遞(ETR)的能量和以熱形式耗散的能量的相對比例會發(fā)生變化。當植物暴露在高光環(huán)境下時，過多的激發(fā)能可能會對光合系統(tǒng)造成氧化損傷，尤其是對光合系統(tǒng)II(PSII)的反應中心，這種損傷被稱為“光抑制”。光抑制會導致光合作用活性降低，進而影響植物的生長和適應性。NPQ能夠?qū)⑦^剩的激發(fā)能以熱的形式耗散掉，從而減少對PSII反應中心的氧化損傷。
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DOI: 10.1038/NPLANTS.2015.225

NPQ的誘導主要由兩個關(guān)鍵因素介導：玉米黃質(zhì)和PsbS蛋白。玉米黃質(zhì)由紫黃質(zhì)通過紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶(VDE，也稱為NPQ1)轉(zhuǎn)化而來，其水平由葉黃素循環(huán)中兩種酶活性的平衡決定，即VDE將紫黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)，而玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶(ZEP或NPQ2)則介導反向的逆反應。PsbS(也稱為NPQ4)是一種類囊體膜蛋白，不結(jié)合色素，其激活涉及光誘導的單體化，伴隨著PSII天線的重組和與LHCII三聚體的結(jié)合。NPQ通過葉黃素循環(huán)和PsbS蛋白構(gòu)象變化將LHCII捕獲的過剩光能以熱能形式耗散。紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶(VDE)激活，將紫黃質(zhì)(V)轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)(Z)，增強LHCII淬滅效率。PsbS蛋白質(zhì)子化誘導LHCII寡聚化，形成能量耗散位點。VDE/ZE：分別位于類囊體腔和基質(zhì)，受pH和抗壞血酸調(diào)控。PsbS由PsbS基因編碼，定位于類囊體膜。

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https://doi.org/10.1104/pp.125.4.1558

NPQ的測量一般通過PAM葉綠素熒光儀測量#誘導曲線(#暗弛豫)進行淬滅分析來完成。測量必須使用暗適應的葉片來進行，因為暗適應的樣品默認NPQ=0。流程大致如下，使用暗適應的葉片進行測量，首先在低強度的測量光下測量Fo，施加飽和脈沖測量暗適應的最大熒光Fm，然后用光化光誘導樣品達到穩(wěn)態(tài)，施加飽和脈沖測量穩(wěn)態(tài)熒光Fs和光下的最大熒光Fm’,然后根據(jù)公式NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’計算NPQ。如果在誘導曲線后將光化光關(guān)掉，可以通繼續(xù)記錄NPQ的弛豫過程，將NPQ根據(jù)弛豫時間的快慢細分為qE，qT，qI等組分。

4、光合控制：電子流的"安全閥"
光合作用控制（Photosynthetic Control）最早可以追溯到1960s，RumbergB等人研究發(fā)現(xiàn)類囊體膜內(nèi)質(zhì)子濃度可以控制電子傳遞?，F(xiàn)在，人們更多地用光合控制來解釋光合電子傳遞鏈如何在短期或長期內(nèi)精細調(diào)控，從而使得光反應過程ATP和NADPH的產(chǎn)生速率與它們在暗反應代謝中的消耗速率相協(xié)調(diào)。需要注意的是，光合控制是近幾年被廣泛報道一種防御性保護機制。小編大膽的猜測可能與人們越來越關(guān)注光能對PSI的潛在損害有關(guān)。畢竟對植物來講，在絕大多數(shù)情況下都是要優(yōu)先考慮如何保護PSI的，因為植物缺乏專門針對PSⅠ的快速修復機制，這意味著PSI任何損傷都會導致長時間的光抑制和生長衰退。LET與CO2固定反應之間的不平衡可通過跨類囊體膜ΔpH水平來感知，當光照過量時，ΔpH會升高。光合控制的典型機制體現(xiàn)在通過ΔpH對Cytb6f中線性電子傳遞的質(zhì)體醌(PQH2)氧化步驟進行的反饋調(diào)控。光合控制通過此機制保持了PSI的反應中心P700的氧化狀態(tài)，這使得在CO2固定反應中未使用的多余電子能夠通過電荷重組被安全地淬滅。
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https://doi.org/10.1093/plcell/koae133

光合控制可以通過PAM葉綠素熒光+P700差示吸收來測量。葉綠素熒光參數(shù)中的光化學淬滅qP可以用來表征開放態(tài)的光系統(tǒng)II反應中心所占的比例，qP越大，開放的反應中心比例越大。光系統(tǒng)的開放和關(guān)閉是由PSII電子受體QA氧化還原狀態(tài)決定的，因此QA氧化還原狀態(tài)也可以通過qP來指示。QA處于氧化態(tài)的越多，開放的反應中心比例越大，qP越大；QA處于還原態(tài)的越多，開放的反應中心比例越小，qP越小。P700red是PSI氧化還原過程中仍處于還原態(tài)的P700比例。當光強升高導致過高的線性電子傳輸速率和更酸的類囊體腔環(huán)境而誘發(fā)光合控制時，質(zhì)體醌PQH2在Cytb6f處的氧化變慢。這將導致QA被過度還原，而P700被大量氧化，對應到葉綠素熒光參數(shù)上即為qP數(shù)值小，P700red數(shù)值也小。因此，qP和還原態(tài)P700之間的關(guān)系可以用于衡量光合控制的程度。

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實際應用中，使用雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM -100或四通道動態(tài)LED陣列近紅外光譜儀DUAL-KLAS-NIR在中等光化光強度下同時測量PSII熒光和PSI氧化還原。用光化學淬滅參數(shù) qP作為 QA氧化還原狀態(tài)指示(縱坐標)，制作它與P700 還原百分比(橫坐標)關(guān)系，可以表征光合控制。 在此基礎(chǔ)上使用P515/535模塊測量跨類囊體膜ΔpH，對光合控制的分析將會更系統(tǒng)和完整。

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上圖是用266μmolm?2s?1的中等強度光強測量33種植物葉片來表征光合控制的結(jié)果。在該光強下，具有有限電子傳遞和Calvin-Benson循環(huán)能力的陰生葉片已經(jīng)受到光合控制的強烈影響(左下，靠近坐標軸交點的數(shù)據(jù))，而具有較大電子傳遞和Calvin-Benson 循環(huán)能力的陽生葉片則受到光合控制的影響較輕(右上)。圖片來源：https://doi.org/10.1007/s11120-022-00934-7.

結(jié)語
除了上面提到的4種光合作用電子傳遞鏈響應環(huán)境變化的短期調(diào)控機制外，光合生物還有其他的一些防御機制，比如替代電子途徑相關(guān)的：5、抗氧化酶(SOD/APX)或Flv蛋白(藍藻/苔蘚/裸子植物)參與的假環(huán)式電子傳遞，將多余的電子用于還原O2產(chǎn)生水，因此也叫水水循環(huán)(梅勒反應)；6、質(zhì)體末端氧化酶(PTOX)參與的電子從PSII受體測的氧返回到水。過剩激發(fā)能淬滅相關(guān)的：7、qH，一種新的組成型弛豫較慢的NPQ機制。值得注意的是，qH與PsbS、ΔpH、葉黃素循環(huán)和STN7的磷酸化無關(guān)。定位在類囊體腔側(cè)的質(zhì)體脂質(zhì)運載蛋白LCNP是qH發(fā)生所必需的，而位于類囊體膜上的淬滅抑制蛋白1(SOQ1)通過直接或間接修飾LCNP來負調(diào)控qH的形成。類囊體膜動態(tài)垛疊相關(guān)的：8、光系統(tǒng)II向光系統(tǒng)I的直接能量傳遞，這是由于PSII和PSI在類囊體的垛疊區(qū)和非垛疊區(qū)差異化分布導致的。激發(fā)電子在光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I之間的溢出主要發(fā)生在類囊體膜的非垛疊區(qū)，介導PSI淬滅。更多有關(guān)機制暫不贅述。

圖1125022801.jpg

DOI: 10.1134/S0006297923100036

即便是以上正文里四種機制并非孤立運作的。例如強光條件下，NPQ的快速啟動(qE)可以作為耗散過剩激發(fā)能的首選(響應時間<1分鐘)，同時CET提升ΔpH(5-10分鐘激活)，而狀態(tài)轉(zhuǎn)換(需15-30分鐘)則作為中長期補償。這種多層次、動態(tài)響應的調(diào)控網(wǎng)絡，使得植物能在瞬息萬變的環(huán)境中維持光合效率與生存能力的精妙平衡。

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