加快光保护机制反而限制了拟南芥的生物量积累
德国慕尼黑大学的科研人员，通过Imaging-PAM叶绿素荧光成像系统，阐释了植物光保护机制与生物量积累之间深刻而复杂的关系。研究表明，加快光保护机制反而限制了拟南芥在波动光下的生物量积累，未能重现该策略之前在烟草上的成功。文章认为，改变光保护对植物生产性能（包括产量）的影响需要在其他（模式）物种中重现，然后才能被视为提高作物生产力的广泛有效策略。作者预计仅增强光合作用不足以提高作物产量，还需要同时提高其源库能力。文章发表在Nature Plants上。
更快的光保护作用有可能增加生物量的积累。事实上，在烟草VPZ株系中，三种光保护蛋白的平行过度表达已经实现了这一点。为了探索这种方法的应用范围，我们构建了拟南芥VPZ株系。这些株系的光保护作用更快，但在波动光照下生长速率和生物量积累受到抑制。这意味着该策略可能会干扰控制激发能量分布的其他机制，或干扰源-库关系或质体信号。
植物的生物量生产和作物产量依赖于光合作用过程中光能向化学能的转化，但过多的光会破坏光合机构。为了避免这种情况，开花植物已经进化出了一种光保护机制，使它们能够通过所谓的非光化学猝灭（NPQ）机制将多余的激发能量作为热量散发出去。NPQ水平与类囊体蛋白PsbS含量呈正相关。调节NPQ水平的第二个组成部分是叶黄素循环，在这个循环中，紫黄质和玉米黄质分别通过紫黄质脱环氧化酶（violaxanthin
deepoxidase, VDE）和玉米黄质环氧化酶（zeaxanthin epoxidase,
ZEP）可逆地相互转化。事实上，NPQ的诱导是由VDE催化的玉米黄质的产生来刺激的，而当光照强度再次降低时，NPQ的弛豫是恢复高光合速率所必需的，它依赖于通过ZEP提高玉米黄质转化为紫黄质的速率。
原则上，那些能够更快地降低NPQ的植物也应该能够更快地重建高光合作用速率，从而提高生产力。最近，这一概念在叶黄素循环加速和PsbS水平增加的烟草植株中得到了验证，这些植物被设计成同时过度表达VDE、ZEP和PsbS蛋白。正如计算机模拟所预测的，在波动光照下，得到的VDE-PSBS-ZEP（VPZ）株系表现出增加了叶片二氧化碳吸收和植物干物质生产力。由于叶黄素循环和PsbS在所有开花植物中都是保守的，因此该生物工程案例研究被提议代表提高粮食作物生产力策略的概念证明。
为了测试在烟草以外的物种中是否能以这种方式提高生长和生物量，我们将烟草中使用的结构引入到模式开花植物拟南芥（以下简称拟南芥；见方法）。在得到的转基因植株中测定了VDE、PSBS和ZEP的转录水平，并选择了三个转基因表达量最大的独立转基因拟南芥VPZ株系（图1a）。免疫印迹分析显示，VDE、PsbS和ZEP的累积量分别为野生型（WT）浓度的5.2倍、2.4倍和5.1倍（图1b）。这些过表达水平明显低于烟草VPZ系（分别为30倍、4倍和74倍），但转基因产物水平之间的比率是可比较的，并且在先前观察到明显效果的范围内（例如参考文献10中2.7倍的PsbS过表达明显改变了烟草的水分利用效率）。
图1 VDE、PsbS和ZEP在拟南芥VPZ株系中的表达
a、从4周龄WT（Col-0）和三个独立的VPZ株系（nos.2，4，7）中分离总RNA，并以ACT2为参照物，用qPCR法定量ZEP、VDE和PSBS转录水平。数据表示为n=5个独立植物的平均值±标准差（用圆圈表示），并根据双尾t检验显示与Col-0相比的s.d.值（P≤0.05）。b、用SDS-PAGE分离从a中提取的总蛋白的小份（20μg）并使用特定抗体进行免疫印迹。从三个实验的代表性印迹，平均值±s.d.的带强度。
图2 拟南芥VPZ株系表现出增强的光保护动态
a、波动光下NPQ的加速诱导和弛豫。在标准条件（见方法）下生长的4周龄WT（Col-0）植物和三个独立的拟南芥VPZ系（2号、4号、7号）进行暗适应 20分钟，并暴露在波动光下（FL2: 50 μmol m−2 s−1下6个周期5分钟，500 μmol m−2 s−1下1分钟）。用Imaging-PAM荧光成像系统测定了PSII（ΦII）和NPQ的有效量子产率。点代表n=8个独立实验的平均值，根据双尾t检验（P≤0.05），三条线的统计差异用星号（*）表示。b、黑暗条件下NPQ的松弛。在a中所示的实验之后，立即将植株转移到黑暗中，以5
s的分辨率记录5分钟的NPQ，并将其归一化为初始值。点表示n=5个独立实验的平均值，而直线表示双指数模型的最佳拟合。c、稳态和波动光（FL3）条件下ΦII和NPQ的变化过程。从扩展数据图2中所示的光响应曲线的三个初始值导出值。数据表示为n=7个独立实验的平均值±标准差（用圆圈表示），并指出根据双尾t检验（P≤0.05）得出的WT的统计差异。
图3 拟南芥VPZ株系的生长和生物量积累
a、具有代表性的4周龄WT（Col-0）和三个独立的VPZ植物（2号、4号、7号）的图像，它们要么生长在温室（GH）中，要么生长在12小时的光照下（125 μmol 光子 m−2 s−1）/12 h暗周期（CL）或12 h波动光（50 μmol 光子 m−2 s−1，持续5分钟，接着是500 μmol 光子 m−2 s−1，持续1分钟）/12小时暗循环（FL2）。比例尺，1厘米。b、
c，对一组植物的莲座直径（b）和鲜重（c）进行统计分析，数据为GH（b，c）和CL（b）的n=3个独立实验的平均值±标准差，FL2（b）和CL和FL2（c）的n=4，并用圆圈表示。用双尾t检验（P≤0.05）与WT有统计学差异。
扩展数据图1 拟南芥 VPZ株系显示了在波动光域FL1下光保护的增强动态
实验如图2a所述进行，但应用了波动光区域FL1（在50 μmol m−2 s−1下3 min和在500 μmol m−2 s−1下3 min的6个周期）。点代表n=8个独立实验的平均值，根据双尾t检验（P≤0.05），WT的三条线（编号2、4和7）的统计差异用星号（*）表示。
扩展数据图2 电子传递速率（ETR）和NPQ响应稳态或波动光状态
a、稳态（左）或波动光（FL3）（右）响应曲线的设计。b、
c，电子传输速率（ETR），单位为μmol，（b）和NPQ（c）在4周龄野生型（WT）和3个独立的VPZ株系（2号、4号和7号）。点代表n=7个独立实验的平均值。根据双尾学生t检验，WT的标准差和统计差异的相应数据可以作为源数据。
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