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广州中医药大学/中山大学合作团队揭示青藏高原植物强光适应机制

点击次数:419 发布时间:2020-12-19

青藏高原(Qinghai-Tibet Plateau),亚洲内陆高原,是中国大、世界海拔的高原,被称为“世界屋脊”、“第三极”。青藏高原一般海拔在3000-5000米之间,平均海拔4000米以上,被称为“离太阳近的地方”,具有较多的自然环境因素。特别是,由于青藏高原地区空气密度低,大气透明度高,吸收和散射的太阳光比其他地区少。因此,青藏高原地区拥有较强的太阳光。在青藏高原高海拔生境下,分布着大量特殊的植物资源,包括一些重要的药用植物等。Tibet-0是我国著名植物学家、复旦大学钟扬教授生前经过十年努力,在青藏高原海拔4150米的“无人区”发现的拟南芥生态型,并无私分享给同行开展科学研究,对于植物强光等环境适应相关研究提供了重要材料。

 

近日,广州中医药大学药用植物生理生态研究院研究人员在Environmental and Experimental Botany在线发表了题为 Increased photosystem II translation efficiency as an important photoprotective mechanism in an Arabidopsis thaliana ecotype (Tibet-0) adapted to high light environments的研究论文,揭示了青藏高原拟南芥Tibet-0适应强光环境的分子机制。

 

研究人员系统地分析了Tibet-0对强光的生理响应。发现与哥伦比亚型拟南芥(Col-0)相比,Tibet-0在持续强光条件下具有更高的PSⅡ光合活性。叶绿素荧光分析表明,Tibet-0在强光下表现出较高的PSⅡ量子产量 (ФPSⅡ)、光化学淬灭 (qP) 和电子传递速率 (ETR)。然而,叶片或叶绿体移动、状态转换、活性氧清除、非光化学淬灭、环式电子传递等经典光保护途径并没有明显优势。

 

有趣的是,Blue Native-PAGE和免疫印迹分析表明,在标准光和强光条件下,Tibet-0的PSII复合物及亚基的丰度显著高于Col-0。然而,相较Col-0,Tibet-0的PSII蛋白降解并没有太大改变,提示可能是由于蛋白合成加快所致。核糖体-新生链复合物定量PCR (RNC-qPCR) 结果表明PSII核心亚基psbA、psbB、psbC和psbD的翻译效率均显著高于Col-0。翻译调控可以触发对环境压力的更快反应。提高易受损伤的光合蛋白的翻译效率有利于Tibet-0适应长期强光胁迫。

 

此外,在强光处理后,Tibet-0中的大量叶绿体核糖体蛋白相关基因表达激活。这些结果提示,Tibet-0通过激活叶绿体核糖体蛋白表达,组成型的提高PSII蛋白的翻译效率来增强其光保护能力。

 

该研究揭示了高原植物可以通过组成型增加光系统蛋白翻译效率应对光系统蛋白损伤,为理解高海拔地区植物的强光适应机制提供了新视角。

广州中医药大学靳红磊教授和申妍婷研究员为本论文的共同通讯作者,张曼博士生(中山大学2017级博士研究生)作者,广州中医药大学王宏斌教授和中山大学刘兵副教授参与指导了本项研究,暨南大学张弓教授等也参与了本项研究,相关工作得到了国家自然科学基金和广东省特支计划等的资助。谨以此文致敬钟扬教授!

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