為了研究，植物通常生長在穩(wěn)定的光照下，這并不能反映自然條件。在一系列改變光條件的實驗中，模擬光和陰影的自然相互作用，來自波茨坦-戈姆(德國)馬克斯·普朗克分子植物生理學(xué)研究所(德國)和密歇根州立大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院(美國)的研究人員揭示了兩種關(guān)鍵蛋白質(zhì)對光合作用動態(tài)控制的重要性。

植物通過光合作用來生長。在這個過程中，它們利用來自陽光的能量，釋放氧氣，并產(chǎn)生碳水化合物，這是所有人類和地球上幾乎所有動物的基本食物資源。在自然條件下，光可用性可以在很短的時間內(nèi)迅速變化。其中一個主要原因是云在太陽前面經(jīng)過時會產(chǎn)生光和影。當(dāng)植物的葉子和樹枝被風(fēng)吹動時，它們也可以暫時提供陰涼。當(dāng)光線有限時，植物不能從陰涼處向陽光移動;反之，當(dāng)暴露在過多的陽光下時，植物也不能從陽光下躲避到陰涼處。它們必須以其他方式應(yīng)對不斷變化的光照條件。

就像對人類一樣，過多的陽光對植物有害。特別是，微弱和強(qiáng)烈光線之間的快速變化是有問題的。就像我們眼睛的視網(wǎng)膜一樣，植物利用樹葉中的分子來捕捉光粒子。當(dāng)光線較弱時，這些光阱能非常有效地捕捉盡可能多的弱光。如果光照條件突然改變，太多的光能可能會到達(dá)植物。這種能量會使植物細(xì)胞內(nèi)敏感的光合裝置超負(fù)荷或損壞。因此，植物必須不斷地使其光合作用活動適應(yīng)環(huán)境條件，以一方面獲得最大的光產(chǎn)量，另一方面又避免受到過多光的傷害。

迄今為止，溫室和實驗室里的植物幾乎都是在穩(wěn)定和均勻的光照條件下生長的。因此，我們對如何適應(yīng)不斷變化的光照條件的理解是非常有限的。在最壞的情況下，這可能導(dǎo)致植物在實驗室和溫室里生長良好，但在田間培養(yǎng)時，表現(xiàn)突然比預(yù)期差得多。

光照條件變化下光合作用的調(diào)節(jié)

波茨坦-戈姆馬克斯普朗克分子植物生理學(xué)研究所的Ute Armbruster和美國密歇根州立大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院的David Kramer周圍的研究人員在他們的研究中研究了模式植物擬南芥。植物在各種各樣的條件下生長，包括靜態(tài)、波動和自然光。這項研究重點研究了兩種離子轉(zhuǎn)運蛋白，即VCCN1和KEA3，它們在動態(tài)調(diào)節(jié)光合作用性能方面起著關(guān)鍵作用。從早期的研究中得知，如果光線突然變得過于強(qiáng)烈，VCCN1就會激活防曬功能。當(dāng)光強(qiáng)減弱時，第二種蛋白質(zhì)KEA3會迅速分解這種防曬物質(zhì)，這樣植物就能再次獲得更多的光。然而，VCCN1和KEA3這兩種蛋白質(zhì)從未在現(xiàn)實的光照條件下被檢測過。

研究人員使用了一種創(chuàng)新的新方法來測量光合作用，并有針對性地使用基因敲除(即VCCN1和KEA3基因被關(guān)閉的植物)。他們表明，蛋白質(zhì)VCCN1和KEA3的活性取決于植物生長的光照條件。根據(jù)植物栽培基礎(chǔ)設(shè)施小組負(fù)責(zé)人Karin博士K?hl的建議，研究人員在分析中重點關(guān)注了兩個與生長相關(guān)的光因子，并能夠證明植物接受的光量和光波動的頻率對兩種離子轉(zhuǎn)運體的功能都有很強(qiáng)的影響。VCCN1的保護(hù)功能只在以前在低光環(huán)境下生長的植物中起作用。相反，取消保護(hù)的KEA3即使在強(qiáng)光條件下生長，在強(qiáng)光時期也有活性。

防曬還取決于植物暴露在光波動的程度。當(dāng)光照條件發(fā)生顯著變化時，植物會產(chǎn)生橙色色素玉米黃質(zhì)，這也與防曬有關(guān)。在強(qiáng)光條件下，這種防曬霜的產(chǎn)生也會被KEA3抑制?！拔覀兊难芯勘砻?，我們不應(yīng)該分別看待生長光的影響和對光波動的快速反應(yīng)，”該研究的主要作者Thekla von Bismarck說，并補(bǔ)充說:“以日益復(fù)雜的方式整合多個時間尺度和代謝水平將是作物研究未來的主要挑戰(zhàn)。這將為提高田間作物產(chǎn)量提供關(guān)鍵思路?！?/p>

Journal Reference:

1. Thekla von Bismarck, Kübra Korkmaz, Jeremy Ruß, Kira Skurk, Elias Kaiser, Viviana Correa Galvis, Jeffrey A. Cruz, Deserah D. Strand, Karin Köhl, Jürgen Eirich, Iris Finkemeier, Peter Jahns, David M. Kramer, Ute Armbruster. Light acclimation interacts with thylakoid ion transport to govern the dynamics of photosynthesis in Arabidopsis. New Phytologist, 2022; 237 (1): 160 DOI: 10.1111/nph.18534