葉綠素?zé)晒鈨x和光合儀高分應(yīng)用文章集錦（2024年4月）

本文我們將回顧一下4月份德國(guó)WALZ調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x參與發(fā)表的7篇高分文章，其中Nature Communications 2篇，Advanced Science 1篇，The Plant Cell 1篇，The Plant Journal 1篇，Journal of Experimental Botany 2篇。德國(guó)WALZ制造的PAM調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x在光合作用研究領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先~遙遙領(lǐng)先~
 

Critical role of cyclic electron transport around photosystem I in the maintenance of photosystem I activity (The Plant Journal, IF=7.2)
 

在植物的光合作用中，循環(huán)電子傳遞(CET)是一種重要的代謝途徑，它能夠在不產(chǎn)生NADPH的情況下，通過PSI回收電子，維持葉綠體膜上的質(zhì)子梯度。這一過程對(duì)于植物適應(yīng)不同光照環(huán)境、保護(hù)光系統(tǒng)免受光損傷具有重要意義。2024年4月1日，日本京都大學(xué)的研究人員在The Plant Journal上發(fā)表了題為Critical role of cyclic electron transport around photosystem I in the maintenance of photosystem I activity的研究論文。該研究通過對(duì)擬南芥中的PROTON GRADIENT REGULATION 5 (PGR5)基因進(jìn)行敲除(KO)突變體研究，發(fā)現(xiàn)了PGR5在CET中的關(guān)鍵作用。
 

研究團(tuán)隊(duì)首先利用CRISPR-Cas9技術(shù)生成了兩個(gè)PGR5的KO等位基因突變體，分別為pgr5-5和pgr5-6。結(jié)果顯示，這兩個(gè)KO等位基因突變體與原有的pgr5-1突變體相比，在非光化學(xué)淬滅(NPQ)的誘導(dǎo)上受損程度較輕。這表明PGR5蛋白可能通過影響NPQ的大小來調(diào)節(jié)CET。為了進(jìn)一步探究PGR5的功能，研究者通過遺傳分析發(fā)現(xiàn)，pgr5-1突變體中存在第二個(gè)影響NPQ大小的突變位點(diǎn)，位于pgr5-1位點(diǎn)下游(south)約21 cM(centiMorgans)處。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，編碼甘氨酸-130-絲氨酸變化的pgr5-1等位基因的過表達(dá)與pgr5-5的表型互補(bǔ)，這表明pgr5-1突變破壞了PGR5 的穩(wěn)定性，但突變蛋白保留了部分功能。而pgr5-1突變體的表型主要是由于PGR5G130S蛋白水平較低所致。研究還發(fā)現(xiàn)，同時(shí)缺乏PGR5和NDH復(fù)合體(另一種CET途徑)的雙突變體在不含蔗糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)嚴(yán)重受損。這些雙突變體的PSI活性顯著降低，而PSII活性僅輕微受損。這表明CET對(duì)于維持PSI活性至關(guān)重要。

這項(xiàng)研究不僅揭示了PGR5在調(diào)節(jié)CET中的關(guān)鍵作用，還為理解植物如何適應(yīng)不同光照環(huán)境提供了新的視角。通過進(jìn)一步的研究，我們有望開發(fā)出新的策略，通過遺傳操縱來增強(qiáng)植物的光合作用，從而提高作物產(chǎn)量和適應(yīng)性。
 

Accounting for photosystem I photoinhibition sheds new light on seasonal acclimation strategies of boreal conifers (Journal of Experimental Botany,  IF=6.9)
 

北歐常綠針葉樹在季節(jié)交替中一直都面臨著生存環(huán)境的巨大變化。特別是在冬季對(duì)溫度和光照變化的響應(yīng)。這些植物通過在分子水平和整個(gè)植物層面上調(diào)節(jié)光合作用反應(yīng)來適應(yīng)環(huán)境，包括光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)的光化學(xué)過程，以及卡爾文循環(huán)中的二氧化碳同化。在低溫抑制酶活性但針葉樹葉片仍吸收陽(yáng)光的情況下，維持光合裝置不同組分之間的能量平衡至關(guān)重要，否則會(huì)導(dǎo)致光系統(tǒng)過度激發(fā)和電子積累，引起氧化損傷和PSII及PSI的光抑制。為了應(yīng)對(duì)冰凍溫度和過量光照條件，北歐針葉常綠植物在季節(jié)尺度上動(dòng)態(tài)調(diào)整其光合蛋白復(fù)合物，并啟動(dòng)一系列光保護(hù)機(jī)制，包括：1.可逆和持續(xù)的非光化學(xué)猝滅(NPQr和NPQs)的結(jié)合，防止PSII過度激發(fā)；2.將電子從線性電子流(LEF)重新路由到替代電子流(AEF)，將電子分流到除用于卡爾文循環(huán)中二氧化碳同化的NADP⁺之外的其他受體；3.上調(diào)循環(huán)電子流(CEF)，將電子在PSI周圍循環(huán)回到質(zhì)體醌(PQ)池。AEF和CEF通過不同的分子途徑防止電子在電子傳輸鏈中積累，并在環(huán)境應(yīng)激條件下促進(jìn)光保護(hù)功能。盡管先前對(duì)北歐針葉常綠植物季節(jié)性適應(yīng)的研究強(qiáng)調(diào)了AEF和CEF的重要性，但PSI和PSII的潛在動(dòng)態(tài)仍未解決。2024年4月2日，芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)的Eva-Mari Aro實(shí)驗(yàn)室在Journal of Experimental Botany雜志發(fā)表題為Accounting for photosystem I photoinhibition sheds new light on seasonal acclimation strategies of boreal conifers的研究論文，文章結(jié)合葉綠素a熒光、P700差吸光測(cè)量和關(guān)鍵類囊體蛋白豐度的定量等技術(shù)手段，研究了Pinus sylvestris和Picea abies在春季光合作用恢復(fù)期間PSII和PSI 的動(dòng)態(tài)。值得注意的是，本研究引入并應(yīng)用了一套校正后的PSI量子產(chǎn)率計(jì)算公式，這擴(kuò)展了P700差分吸收測(cè)量的分析，并允許在北歐針葉樹中識(shí)別季節(jié)性PSI光抑制。
 

PSI的光抑制是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的因素，有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道也比較少。在本研究中，研究人員重點(diǎn)關(guān)注的因素正是PSI的光抑制。PSI光抑制會(huì)影響根據(jù)P700測(cè)量值估算PSI的量子產(chǎn)率，而且這種影響可能是非常動(dòng)態(tài)的，這可能會(huì)干擾我們?cè)诒睔W常綠針葉樹中分辨PSII和PSI在季節(jié)尺度上動(dòng)態(tài)變化的能力。估算PSII和PSI量子產(chǎn)率的方法乍看起來可能非常相似，因?yàn)閮烧叨蓟�于PAM技術(shù)和飽和脈沖，可以量化最小信號(hào)水平(Fo或 Po)、穩(wěn)態(tài)信號(hào)水平(F或P)和最大信號(hào)水平(Fm、Fm'或Pm、Pm')之間的振幅變化。然而，PSII和 PSI信號(hào)解讀所依據(jù)的生物物理原理和假設(shè)通常是不同的。其中很重要的一點(diǎn)區(qū)別是PSI量子產(chǎn)率的原始定義假定Y_Imax為常數(shù)，而PSII的等效表達(dá)式(Y_IImax，通常稱為 Fv/Fm)是可變的。
 

最大Y_I值恒定的假設(shè)不可避免地會(huì)導(dǎo)致PSI量子產(chǎn)率的定義不考慮PSI光抑制作用，這相當(dāng)令人吃驚，因?yàn)镻SI光抑制作用被廣泛認(rèn)為與最大氧化還原活性PSI分?jǐn)?shù)或ΔPm的降低一致。忽略PSI光抑制作用會(huì)導(dǎo)致PSI量子產(chǎn)率失真，以前曾將其描述為PSI的“漏斗效應(yīng)”。如果不考慮這種現(xiàn)象，就會(huì)嚴(yán)重限制我們對(duì)PSI的調(diào)控能力以及PSI和PSII產(chǎn)量之間關(guān)系的研究，尤其是在無法事先排除PSI光抑制的條件下，例如在越冬北方針葉樹中。
 

通過新提出的公式分析相關(guān)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管PSI光抑制導(dǎo)致PSII和PSI核心復(fù)合物的化學(xué)計(jì)量發(fā)生了很大的季節(jié)性變化，但PSII和PSI光化學(xué)產(chǎn)量的季節(jié)性動(dòng)態(tài)基本保持平衡。同樣，在考慮了PSI光抑制因素后，之前報(bào)道的循環(huán)電子流季節(jié)性上調(diào)不再明顯�？傊�，該研究的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了考慮PSII和PSI 的動(dòng)態(tài)以闡明越冬常綠植物光合作用的季節(jié)適應(yīng)性的重要性。除了針葉樹之外，作者校正的PSI量子產(chǎn)率為今后旨在闡明PSI動(dòng)態(tài)調(diào)控的研究提供了更多工具。
 

Thylakoid protein FPB1 synergistically cooperates with PAM68 to promote CP47 biogenesis and Photosystem II assembly  (Nature Communications, IF=16.6)
 

光合作用是植物生長(zhǎng)和生存的關(guān)鍵過程，而光系統(tǒng)II(PSII)是這一過程的核心。光系統(tǒng)II(PSII)復(fù)合體在光合生物中起著至關(guān)重要的作用，它催化水分子向質(zhì)體醌的電子轉(zhuǎn)移，從而激發(fā)光合作用過程中的電子傳遞。PSII的組裝是一個(gè)復(fù)雜的過程，首先形成D2-Cyt b559亞復(fù)合體，作為D1和PsbI的受體復(fù)合體。D1的前體(pD1)在翻譯過程中與D2-Cyt b559亞復(fù)合體共翻譯整合，形成PSII反應(yīng)中心。PSII反應(yīng)中心蛋白D1含有五個(gè)TMDs，其共翻譯插入過程已得到深入研究。在D1的第一個(gè)TMD從核糖體通道中出現(xiàn)之前，核糖體通過與核糖體蛋白L420的相互作用與cpSRP54結(jié)合，然后D1的核糖體新生鏈(RNC)通過SRP受體cpFtsY被引導(dǎo)到類囊體膜中的SecY/E轉(zhuǎn)位子。盡管PSII核心亞基D2、CP43和CP47被認(rèn)為可能是共翻譯組裝的，但目前尚不清楚SecY/E-cpSRP54靶向機(jī)制是否參與它們的翻譯和組裝，以及這些亞基的跨膜結(jié)構(gòu)域如何通過分子伴侶調(diào)節(jié)整合到膜中。2024年4月10日，Nature Communications在線發(fā)表上海師范大學(xué)彭連偉教授實(shí)驗(yàn)室題為Thylakoid protein FPB1 synergistically cooperates with PAM68 to promote CP47 biogenesis and Photosystem II assembly的研究論文，文章揭示了一個(gè)新的蛋白質(zhì)FPB1(Facilitator of PsbB biogenesis1)，它在PSII的組裝中扮演著重要角色，它是PSII積累所必需的。
 

研究人員通過遺傳和生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PB1與已知的PAM68蛋白協(xié)同作用，共同促進(jìn)了CP47—PSII核心亞基的生物合成。在缺乏FPB1和PAM68的情況下，CP47的合成速率降低，且無法形成功能性的PSII復(fù)合體，導(dǎo)致植物無法進(jìn)行有效的光合作用。這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PB1是一種位于葉綠體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)，它與PAM68、SecY/E轉(zhuǎn)位子和Alb3整合酶相互作用，可能協(xié)助CP47在翻譯過程中順利嵌入葉綠體內(nèi)膜。此外，通過核糖體剖析技術(shù)，研究人員觀察到在沒有FPB1和PAM68的情況下，核糖體在翻譯CP47時(shí)出現(xiàn)明顯的暫停，這表明這兩個(gè)蛋白在促進(jìn)CP47的共翻譯插入中起著關(guān)鍵作用。下圖為本研究提出的葉綠體中CP47的共翻譯組裝以及FPB1和PAM68功能的可能模型。
 

A hemoprotein with a zinc-mirror heme site ties heme availability to carbon metabolism in cyanobacteria (Nature Communications, IF=16.6)

藍(lán)藻是多種生物地球化學(xué)循環(huán)的重要貢獻(xiàn)者，海洋藍(lán)藻占海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力的 25%。為了發(fā)揮這些功能，藍(lán)藻對(duì)鐵的需求量通常超過其他細(xì)菌，而且必須確保鐵輔助因子(如血紅素)的生物合成與需求相匹配，例如用于合成光合和呼吸作用復(fù)合體。除了在電子傳遞中發(fā)揮重要作用外，鐵輔助因子(如血紅素)還參與多種細(xì)胞功能。例如，血紅素是一種關(guān)鍵的信號(hào)分子，可調(diào)節(jié)從轉(zhuǎn)錄到信號(hào)傳感以及重要蛋白質(zhì)翻譯后調(diào)控等各種細(xì)胞過程。因此，光合生物體內(nèi)進(jìn)化出了涉及血紅素的調(diào)節(jié)機(jī)制，以維持最佳的光合效率，同時(shí)抑制氧化應(yīng)激和光損傷。在陸生植物中，進(jìn)化出了一種依賴血紅素的機(jī)制來控制谷氨酰-tRNA還原酶(GluTR1)的豐度，這種蛋白質(zhì)啟動(dòng)了四吡咯生物合成的第一步。GluTR1的翻譯后調(diào)節(jié)對(duì)于防止血紅素及其中間產(chǎn)物的過量產(chǎn)生至關(guān)重要。這種依賴血紅素的負(fù)反饋調(diào)節(jié)依賴于 GluTR1 結(jié)合蛋白(GBP)，它與GluTR1的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域結(jié)合后，可防止GluTR1被Clp蛋白酶降解。血紅素與GBP結(jié)合會(huì)抑制這種相互作用，導(dǎo)致GluTR1降解。GBP由一個(gè)N 端分叉桶狀結(jié)構(gòu)域(吡哆胺磷酸氧化酶樣家族的一部分)和一個(gè)功能未知的C端結(jié)構(gòu)域DUF2470組成。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域也存在于參與細(xì)菌血紅素降解和鐵獲取的HugZ樣蛋白家族中。DUF2470與不同的分子功能有關(guān)；該結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為部分屏蔽了HugZ的血紅素結(jié)合口袋，而在GBP 中，DUF2470則參與識(shí)別GluTR1。雖然血紅素與GBP的結(jié)合已被證實(shí)，但血紅素結(jié)合形式尚未從結(jié)構(gòu)上確定，而且目前還不確定這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域中哪一個(gè)結(jié)合了血紅素。因此，DUF2470的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系尚未確定。4月12日，Nature Communications在線發(fā)表美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所Crysten E. Blaby-Haas實(shí)驗(yàn)室題為A hemoprotein with a zinc-mirror heme site ties heme availability to carbon metabolism in cyanobacteria的研究論文。文章研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)方法和結(jié)構(gòu)技術(shù)，鑒定了一個(gè)二聚體血紅素蛋白家族，其中包含一個(gè)功能未知的DUF2470結(jié)構(gòu)域。血紅素鐵由兩個(gè)鋅結(jié)合的組氨酸殘基軸向配位，形成一個(gè)明顯的雙重對(duì)稱鋅-組氨酸-鐵-組氨酸-鋅位點(diǎn)。結(jié)合結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究人員進(jìn)一步證明了Dri1的血紅素結(jié)合與藍(lán)藻聚胞藻中琥珀酸脫氫酶的翻譯后調(diào)節(jié)之間存在功能聯(lián)系，表明光合作用和呼吸之間存在鐵依賴性調(diào)節(jié)關(guān)系。鑒于在真核生物和原核生物中普遍存在含有同源結(jié)構(gòu)域和血紅素代謝的蛋白，研究人員提出DRI（與鐵相關(guān)的結(jié)構(gòu)域;以前稱為DUF2470）在分子水平上作為血紅素依賴性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域發(fā)揮作用。

此外，更詳細(xì)的研究結(jié)果表明Dri1能夠結(jié)合血紅素，并且其晶體結(jié)構(gòu)顯示了一個(gè)鋅鏡血紅素位點(diǎn)。這種結(jié)合是通過鋅離子和特定的組氨酸殘基介導(dǎo)的。Dri1與琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase, SDH)的翻譯后調(diào)控有關(guān)，暗示了一種鐵依賴性的光合作用和呼吸作用之間的調(diào)控聯(lián)系。Dri1的結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)果表明Dri1在沒有血紅素時(shí)為單體，而結(jié)合血紅素后形成二聚體。通過X射線晶體學(xué)和小型角X射線散射(SAXS)分析了Dri1及其變異體的結(jié)構(gòu)。研究提出了Dri1作為血紅素依賴性后轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的模型，可能通過直接或間接影響琥珀酸脫氫酶復(fù)合物的活性來參與電子傳遞鏈的調(diào)控。Dri1在藍(lán)藻細(xì)菌中的作用包括對(duì)光合作用和呼吸作用的電子流的直接影響或間接影響，以及在鐵限制條件下對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響。Dri1蛋白在藍(lán)藻細(xì)菌中的絕對(duì)保守性表明，該蛋白在血紅素穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵且保守的作用。
 

 

這項(xiàng)研究不僅為理解藍(lán)藻細(xì)菌中光合作用和呼吸作用的調(diào)控機(jī)制提供了新的見解，而且為未來研究血紅素代謝和相關(guān)調(diào)控蛋白提供了新的工具和方法。

Unique photosynthetic strategies employed by closely related Breviolum minutum strains under rapid short-term cumulative heat stress (Journal of Experimental Botany, IF=6.9)
 

共生藻類是珊瑚和海葵等一系列刺胞動(dòng)物宿主的胞內(nèi)共生微藻，提供光合固碳以換取宿主提供的氮。這些藻類對(duì)脅迫的耐受水平對(duì)其宿主的生存至關(guān)重要，尤其是在夏季熱浪期間，熱浪往往會(huì)導(dǎo)致共生藻與珊瑚宿主之間的生物群落失調(diào)，造成白化現(xiàn)象。例如，Durusdinium屬中的物種通常比Cladocopium屬中的物種賦予宿主更高的白化耐受性，Cladocopium C15輻射中不同成員的存在與珊瑚不同的熱耐受性有關(guān)。共生藻類植物的耐熱性取決于它們?cè)跓崦{迫下保持光合系統(tǒng)II的最大光合產(chǎn)物率(Fv/Fm of PSII)和高水平碳固定的能力。2024年4月18日，Journal of Experimental Botany雜志在在線發(fā)表墨爾本大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院為署名單位，標(biāo)題為Unique photosynthetic strategies employed by closely related Breviolum minutum strains under rapid short-term cumulative heat stress的研究論文。

 

該研究文章的核心內(nèi)容是關(guān)于三種密切相關(guān)的Breviolum minutum藻株在快速短期累積熱應(yīng)激(26-40°C)下所采用的獨(dú)特光合作用策略。研究比較了這些藻株的熱耐受性、光化學(xué)和非光化學(xué)淬滅、光合色素的脫環(huán)氧化狀態(tài)以及活性氧物質(zhì)(ROS)的積累。主要發(fā)現(xiàn)和結(jié)論包括：不同的B. minutum藻株采用了不同的光保護(hù)策略，導(dǎo)致了它們各自的上部熱耐受性不同。研究提供了之前未知的熱耐受性特征和光保護(hù)機(jī)制之間的相互依賴性，包括激發(fā)能量及其通過非光合猝滅的快速放松和狀態(tài)轉(zhuǎn)換組分的耗散之間的微妙平衡。更具熱耐受性的B. minutum藻株(B1-B1o-B1g-B1p)表現(xiàn)出增強(qiáng)的脫環(huán)氧化作用，與類囊體膜的熔點(diǎn)強(qiáng)烈相關(guān)，并可能通過膜加固將氧化損傷最小化。該研究深入理解了在密切相關(guān)的B. minutum藻株中支撐熱耐受性的光保護(hù)機(jī)制。研究還探討了在熱應(yīng)激下，不同B. minutum藻株的光合作用參數(shù)變化，包括光系統(tǒng)II的最大光合效率(Fv/Fm)、實(shí)際量子產(chǎn)量(ΔF/Fm′)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)以及ROS的產(chǎn)生。通過主成分分析（PCA）和不同的統(tǒng)計(jì)測(cè)試，研究揭示了不同藻株在熱應(yīng)激下的光生理響應(yīng)差異。文章還討論了在熱應(yīng)激下，B. minutum藻株的光保護(hù)機(jī)制的動(dòng)態(tài)變化，包括快速放松的NPQ(qE型)、慢放松的NPQ(qI型)、以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換(qT1和qT2型)。該研究的結(jié)果與之前觀察到的它們的宿主Exaiptasia diaphana的熱漂白耐受性一致，強(qiáng)調(diào)了在面對(duì)快速短期熱應(yīng)激時(shí)，不同藻株采取了不同的光合作用策略。

Rewiring photosynthesis by water-soluble fullerene derivatives for solar-powered electricity generation (Advanced Science, IF=15.1)
 

光合作用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能是自然界中最重要的能量轉(zhuǎn)化過程。光反應(yīng)通過光氧化裂解水，產(chǎn)生大量高能態(tài)電子，經(jīng)光合電子傳遞鏈生成還原力NADPH和ATP，用于暗反應(yīng)生物固碳反應(yīng)。利用生物元件或人工元件改變光合電子傳遞方向，有望提高生物光電轉(zhuǎn)化效率，用于生物光伏、光驅(qū)生物制造、光合產(chǎn)氫等系統(tǒng)。然而，天然光合系統(tǒng)和細(xì)胞代謝調(diào)控非常復(fù)雜，傳統(tǒng)生物工程策略難以實(shí)現(xiàn)光合電子傳遞過程的改造和調(diào)控。2024年4月22日，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所李寅團(tuán)隊(duì)的朱華偉博士與國(guó)家納米科學(xué)中心賀濤研究員合作，在Advanced Science雜志上發(fā)表題為Rewiring photosynthesis by water-soluble fullerene derivatives for solar-powered electricity generation的研究論文。文章提出了一種改變光合電子傳遞方向的新策略，即利用零維碳納米材料從光合電子傳遞鏈中截流電子并傳遞到胞外，從而提高生物光電轉(zhuǎn)化效率。研究人員設(shè)計(jì)合成了一種表面帶正電荷的水溶性富勒烯納米材料，該納米材料被藍(lán)藻細(xì)胞捕獲后，可以改變光合電子傳遞方向，促進(jìn)光合電子向胞外分流，將光電流密度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

富勒烯 C60 呈球型籠狀結(jié)構(gòu)，因具有三維離域 π 鍵而表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。已發(fā)現(xiàn)富勒烯可以進(jìn)行多達(dá)6個(gè)電子的可逆氧化還原，其衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸異甲酯（PCBM）作為電子受體被廣泛應(yīng)用于有機(jī)光伏等領(lǐng)域。原始富勒烯分子疏水性很強(qiáng)，為了應(yīng)用于水相生物體系，研究人員通過環(huán)加成反應(yīng)在 C60 表面引入 N,N-二甲基吡咯烷官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其表面的親水功能化修飾，賦予其良好的親水性和表面正電荷。該富勒烯衍生物（C60-DMePyI）與藍(lán)藻細(xì)胞孵育后，可以被細(xì)胞快速捕獲，并分布于類囊體膜區(qū)域和細(xì)胞質(zhì)中。富勒烯衍生物被吸收到藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)后，在 0.1 mg/mL 的最佳添加量條件下，可以使藍(lán)藻光電流提高約 10 倍。一般情況下，藍(lán)藻細(xì)胞單獨(dú)產(chǎn)生的光電流密度與光照強(qiáng)度呈正比例關(guān)系。然而，當(dāng)光照強(qiáng)度提高 4 倍時(shí)，含有富勒烯衍生物的藍(lán)藻細(xì)胞產(chǎn)生的光電流密度提高卻超過了 10 倍，表明富勒烯衍生物加速了藍(lán)藻細(xì)胞將電子輸送到胞外的過程。

那么，富勒烯衍生物是如何促進(jìn)藍(lán)藻的電子外排過程呢？研究人員采用特異性電子傳遞抑制劑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在正常藍(lán)藻細(xì)胞中，光合電子主要從光系統(tǒng) I 上游（特別是從質(zhì)體醌池處）分流到胞外。當(dāng)藍(lán)藻細(xì)胞吸收富勒烯衍生物后，光合電子則主要從光系統(tǒng) I 下游，特別是鐵氧化還原蛋白即 Fd 處分流，表明富勒烯在光合電子傳遞鏈上的作用位點(diǎn)主要位于光系統(tǒng) I 受體側(cè)。飛秒瞬態(tài)吸收光譜和穩(wěn)態(tài)熒光光譜分析進(jìn)一步揭示出，富勒烯衍生物與光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I的光反應(yīng)中心均存在直接相互作用。除了富勒烯衍生物 C60-DMePyI 之外，研究人員還分析了其他幾種不同功能化富勒烯納米材料對(duì)光電流產(chǎn)生的影響，以及這些納米材料的 Zeta 電位﹑吸收效率和氧化還原特性。結(jié)果表明，富勒烯改變光合電子傳遞方向的作用主要取決于其表面電荷和氧化還原特性。帶正電荷的富勒烯表面有助于與帶負(fù)電的細(xì)胞膜相互作用。同時(shí)，納米材料在水相體系中的可逆氧化還原特性是其發(fā)揮電子載體功能的關(guān)鍵因素。綜合這些結(jié)果表明，表面帶正電荷的水溶性富勒烯衍生物能夠與藍(lán)藻細(xì)胞光合電子傳遞鏈中的氧化還原中心發(fā)生相互作用，改變光合電子的傳遞方向，促使光合電子從藍(lán)藻細(xì)胞中溢出，從而提高藍(lán)藻細(xì)胞的光電流。該研究不僅有助于深入認(rèn)識(shí)藍(lán)藻細(xì)胞中光合電子傳遞的屏障，也為打開三維電子載體富勒烯納米材料在生物能量轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用提供了可能。

Photosynthetic control at the cytochrome b₆f complex (The Plant Cell, IF=11.6)
 

光合生物可以吸收和利用光能，但是不能儲(chǔ)存光能，因此它們必須謹(jǐn)慎地平衡這些代謝物的生成和消耗。如果光反應(yīng)和CBB循環(huán)的速率不匹配，光照過強(qiáng)時(shí)會(huì)形成活性氧(ROS)導(dǎo)致細(xì)胞損傷，光照受限時(shí)則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞性能下降和生長(zhǎng)受限。調(diào)節(jié)光反應(yīng)的一個(gè)重要機(jī)制是光合控制(PCON)，它在NADPH和ATP的生成超過CO₂固定需求的條件下，通過維持高ΔpH對(duì)電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。PCON通過調(diào)節(jié)電子傳遞速率，保護(hù)光系統(tǒng)I(PSI)免受光誘導(dǎo)損害。在波動(dòng)光照環(huán)境中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，PCON是植物生長(zhǎng)和恢復(fù)能力的必要條件，缺乏該過程的突變體會(huì)遭受PSI的嚴(yán)重破壞。

PCON是一種防御性保護(hù)機(jī)制，它通過維持線性電子傳遞(LET)產(chǎn)生的NADPH和ATP與二氧化碳(CO₂)固定反應(yīng)消耗速率之間的平衡，有效避免了光能對(duì)光系統(tǒng)I(PSI)的潛在損害。對(duì)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(hù) PSI的，因?yàn)橹参锶狈�專門針對(duì)PSⅠ的快速修復(fù)循環(huán)，這意味著任何損傷都會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的光抑制和生長(zhǎng)衰退。LET與CO₂固定反應(yīng)之間的不平衡可通過跨類囊體膜ΔpH水平來感知，當(dāng)光照過量時(shí)，ΔpH會(huì)升高。PCON的典型機(jī)制體現(xiàn)在通過ΔpH對(duì)細(xì)胞色素b₆f中線性電子傳遞(LET)的質(zhì)體醌(PQH2)氧化步驟進(jìn)行的反饋調(diào)控。PCON通過此機(jī)制保持了光系統(tǒng)I (PSI)的特殊配對(duì)葉綠素(P700)的氧化狀態(tài)，這使得在CO₂固定反應(yīng)中未使用的多余電子能夠通過電荷重組被安全地淬滅。2024年4月26日，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Matthew P Johnson實(shí)驗(yàn)室的Gustaf E Degen在The Plant Cell雜志發(fā)表題為Photosynthetic control at the cytochrome b6f complex的研究性綜述文章，作者以被子植物為研究對(duì)象，探討了PSI光氧化損傷是如何產(chǎn)生的，PSI光抑制對(duì)光合作用和生長(zhǎng)的影響，討論了在了解PCON調(diào)節(jié)方面的最新進(jìn)展，最后展望了未來在作物中利用 PCON提高光合效率的前景。

與依賴于ΔpH的qE不同，其動(dòng)態(tài)變化對(duì)光強(qiáng)度變化表現(xiàn)出滯后效應(yīng)，P700的氧化過程卻能極其迅速地放松。實(shí)際上，在擬南芥植物上使用快速振蕩的正弦波型光照機(jī)制表明， qE基本上無法快速且準(zhǔn)確地跟蹤光照強(qiáng)度的變化，但PCON的響應(yīng)性要強(qiáng)得多。這表明，通過操縱qE的放松速率來更好地跟蹤光照強(qiáng)度變化，從而成功提高作物產(chǎn)量的轉(zhuǎn)基因方法對(duì)于P700氧化來說是不必要的。然而，在狗尾草(Setaria viridis)和擬南芥中，ISP亞基的過表達(dá)，從而提高細(xì)胞色素b₆f復(fù)合物的水平，已被證明能在強(qiáng)光條件下增加生長(zhǎng)和CO₂同化作用，這表明增加流向PSI的電子流可以增強(qiáng)光合作用。事實(shí)上，狗尾草ISP過表達(dá)株系顯示出比野生型更高的PSI產(chǎn)量和更低的PSI氧化水平，但生長(zhǎng)速度更快。同樣，表達(dá)藻類細(xì)胞色素c6：細(xì)胞色素b₆f和PSI之間Pc的替代電子載體，也能增加生長(zhǎng)。因此，重新調(diào)整細(xì)胞色素b₆f對(duì)ΔpH的敏感性，可能使該系統(tǒng)對(duì)電子流的阻力降低，這可能與下游電子匯的操控協(xié)同作用，例如通過過表達(dá)CBB循環(huán)中的限速酶來改善作物生長(zhǎng)。

P700氧化(Y(ND))對(duì)于避免PSI光抑制的重要性是顯而易見的。然而，傳統(tǒng)意義上的光抑制(即細(xì)胞色素b₆f對(duì)電子流的阻力僅隨ΔpH變化)并不總是起作用的，因?yàn)?/span>K_P700或P700_red t½通常不會(huì)隨光照強(qiáng)度的增加而變化。相反，電子阻力是恒定的，因此Y(ND)反映了Cytb₆f對(duì)LET 速率的固有限制，盡管這種限制沒有改變。這突出了PCON和Y(ND)之間的明顯區(qū)別。因此，要確定PCON的變化，需要PSI的再還原率(P700_red t½)，甚至更精確地說，要確定Cytb₆f阻力的變化，應(yīng)測(cè)量Cyt f_redt½或Pc還原半衰期(Pc_redt½)。通過這些更精確的測(cè)量方法可以觀察到，如果ΔpH下降到閾值以下(如在pgr5和滲入解耦劑的植物中觀察到的那樣)，PCON就會(huì)下降；如果細(xì)胞色素b₆f ISP發(fā)生變化，PCON就會(huì)增加。然而，在低CO₂等脅迫條件下，除了閾值ΔpH外，還需要其他因素來誘導(dǎo)PCON。已經(jīng)提出了幾種氧化還原和基于結(jié)構(gòu)的PCON額外調(diào)節(jié)機(jī)制，現(xiàn)在應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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