2025年2月27日，Communications Biology在線發(fā)表日本東京大學農(nóng)業(yè)與生命科學研究生院Wataru Yamori課題組標題為Identification and characterization of compounds that improve plant photosynthesis and growth under light stress conditions的研究論文。文章通過葉綠素熒光成像系統(tǒng)構(gòu)建了基于煙草葉圓片的高通量化學篩選系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并驗證了蒽醌衍生物(如A1N和A4N)能夠通過增強光系統(tǒng)I(PSI)的電子接受能力緩解植物高光脅迫，顯著提升光合效率和作物生長，且對非脅迫條件下的植物無負面影響，為農(nóng)業(yè)抗逆化學品的開發(fā)提供了新策略。

現(xiàn)有抗逆策略或多或少的都存在局限性。例如基因改造，通過引入玉米GOLDEN2-LIKE基因或苔蘚的Flavodiiron蛋白可增強光脅迫抗性，但公眾對轉(zhuǎn)基因作物的安全性擔憂限制了其應用?；瘜W生物學方法也可以提高作物抗性，已有研究通過小分子化合物調(diào)控植物氣孔開閉或代謝通路(如乙酸誘導抗旱性)，但針對光脅迫的化學保護劑研究幾乎空白。亟需開發(fā)一種非轉(zhuǎn)基因的化學保護劑，通過改善光合電子傳遞效率緩解高光脅迫，同時不影響正常生長條件下的植物表現(xiàn)。

第二步是基于光合參數(shù)進行實驗驗證。在篩選系統(tǒng)的基礎上進行葉圓片實驗，通過700 μmolm?2·s?1強光處理12小時誘導光脅迫，A1N和A4N處理組的光合誘導速率(Y(II))顯著高于對照組(圖2)。然后進行濃度依賴性評估，低濃度(0.08–2 μg·mL?1)下，蒽醌衍生物顯著提升光合效率；高濃度(4 μg·mL?1)可能抑制PSII功能。

除了葉圓片實驗，本研究也進行了蒽醌衍生物對完整葉片的實驗驗證，使用四種植物(煙草、生菜、番茄和擬南芥)進行，A1N處理組在72小時光脅迫后，PSII和PSI的電子傳遞速率(ETR II/ETR I)及CO?同化率顯著高于對照組(圖5)。PSI氧化能力測量實驗證實A1N和A4N可作為PSI的電子受體，通過氧化PSI受體側(cè)(如A0/A1)減少過度還原。

第三步是蒽醌衍生物光脅迫抗性化學保護劑的分子機制與基因表達分析。電子傳遞鏈定位，蒽醌衍生物在PSI的電子接受能力為MV(甲基紫精)的78-86%，但在PSII中無活性(圖4C)。其還原電位(A1N: -816 mV vs. SHE)低于PSI的P700(-1320 mV)，但高于PSII的P680(-620 mV)，表明其特異性作用于PSI。RNA測序相關的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，A1N處理組擬南芥在光脅迫下光合相關基因(如光捕獲復合體、電子傳遞鏈基因)的表達下調(diào)較少，表明其通過保護光合機構(gòu)減少基因調(diào)控壓力。

最后，本研究對蒽醌衍生物作為光脅迫抗性化學保護劑的長期效應與安全性進行了評估。通過恢復實驗研究發(fā)現(xiàn)，光脅迫處理96小時后，A1N處理組的擬南芥、生菜和番茄在恢復期(1周)表現(xiàn)出更高的葉綠素含量(SPAD值)和生物量，且未出現(xiàn)早期開花等脅迫癥狀(圖6-8)。安全性方面，非脅迫條件下，A1N處理組的光合參數(shù)和生長指標與對照組無差異。表面施用的蒽醌衍生物在7天內(nèi)完全降解，無環(huán)境殘留風險。

其次，本研究首次揭示蒽醌衍生物通過調(diào)節(jié)PSI氧化還原狀態(tài)緩解光脅迫的分子機制，填補了化學生物學在光脅迫領域的研究空白。建立的高通量葉圓片篩選系統(tǒng)和技術路線為未來植物抗逆化學品劑的開發(fā)提供了高效平臺。

最后，也是最重要的一點是蒽醌衍生物的環(huán)境與安全性優(yōu)勢，它們天然存在于地衣、植物中，具有低毒性和快速降解特性，符合可持續(xù)農(nóng)業(yè)需求。避免了基因改造作物的監(jiān)管和公眾接受度問題。

此外，實驗樣品PSII和PSI期間電子傳輸速率的測定還用到了雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100和GFS-3000光合儀及聯(lián)用葉室。系統(tǒng)全面的評估了蒽醌衍生物對煙草、番茄、生菜和擬南芥幼苗的短期和長期的影響。

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