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中国农科院作科所解析水稻适应长期波动光的光合生理调控机制

点击次数:195 发布时间:2020-11-23

在自然界中,由于太阳角度改变、云层运动、相邻植物叶片遮挡以及叶片颤动等的影响,使得大田中光照强度通常处于频繁的波动变化中(波动光)。目前多数研究集中在植物对波动光的短期响应,而有关大田作物对波动光的研究鲜有报道,特别是作物如何适应长期波动光的生理机制尚不清楚。

中国农业科学院作物科学研究所周文彬课题组与山东农业大学合作,通过系统分析恒定光与波动光条件下水稻的生长、光合生理和叶片解剖结构差异,发现光合电子传递、ATP合酶活性以及非光化学淬灭(NPQ)的调控是水稻适应波动光的重要生理过程。研究揭示了植物在波动光强下的光合调控生理机制,为作物在大田条件下光能高效利用提供了理论依据。

通过比较短期和长期波动光处理水稻植株,研究发现长期波动光处理降低了水稻植株的株高和生长速率。短期波动光处理主要抑制光系统I(PSI)活性,而光系统II(PSII)由于受到非光化学淬灭的保护受影响较小。随着波动光处理时间的延长,PSBS蛋白表达增加,叶黄素循环组分玉米黄质大量积累,类囊体腔侧的酸化(ΔpH)程度增加,共同诱导较高的非光化学淬灭。长期波动光处理使PSI受体侧限制增加,而NPQ的增加降低了PSII的光化学效率,电子传递速率在PSI和PSII均下降,表明长期波动光处理使PSI和PSII活性均受到抑制。进一步研究表明,长期波动光处理使类囊体膜质子导度下降,说明ATP合酶活性下降。叶绿体超微结构观察显示长期波动光处理叶绿体类囊体基粒数增加而基粒厚度降低,免疫印迹分析表明光合相关蛋白积累均降低。通过叶片气孔结构分析和光合气体交换测定,发现长期波动光处理使气孔导度下降主要是由于气孔开度的减小,进一步限制了CO2的同化,终导致水稻生长受到抑制。该研究结果对于进一步提高水稻在大田波动光环境条件下的光合效率具有重要意义。

该研究成果于2020年11月20日在Plant, Cell & Environment 期刊在线发表。中国农科院作科所和山东农大联合培养博士生卫泽和作科所段凤莹博士为本文共同作者,中国农科院作科所周文彬研究员和山东农大宋宪亮教授为论文共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划项目(2016YFD0300102)和中国农科院创新工程等项目的资助。

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