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独脚金内酯(strigolactones)是一些天然的独脚金醇类化合物及人工合成类似物的总称[1]。独脚金内酯由植物根系分泌,并刺激了寄生植物种子发芽[2-3]和丛枝(AM)菌根的分枝生长[1, 4]。独脚金内酯几乎存在于所有的高等植物之中,在调节植物生长发育过程中起着重要的作用。除了被鉴定为控制植物侧枝发育的关键信号物质外[5-6],独脚金内酯还在调控根部构型[7]、叶片衰老[8]以及抗旱胁迫[9-10]上起着重要的作用。另外,近年来研究发现,独脚金内酯处理能特异地促进植物叶片捕光色素蛋白相关基因的表达[11],说明了独脚金内酯也可能调节植物光系统的构成,目前,对独脚金内酯与植物光合关系的研究还较少。虽然目前独脚金内酯的生物合成及信号通路还没有被完全揭示,但部分参与其生物功能的关键基因已经被发现。其中D27,MAX1,MAX3和MAX4等蛋白酶参与了独脚金内酯的合成[12-15],而D14和MAX2等蛋白则与独脚金内酯的信号传递相关[16-18]。植物的叶绿素荧光信号能表征植物对光能的利用情况,是光合生理研究的重要探针[19]。利用调制叶绿素荧光测定仪可通过荧光诱导的方法构建植物的叶绿素荧光动力学参数,从而快速而灵敏地探测植物的光合及生理状态信息。笔者通过对拟南芥Arabidopsis thaliana独脚金内酯合成突变体max1与信号突变体max2与野生型拟南芥叶片的光合色素及叶绿素荧光特性的分析,探讨独脚金内酯对植物光合系统的影响,从而为深入了解独脚金内酯的生物功能及作用机制提供依据。
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从表 1可以看出:2个独脚金内酯突变体光合色素质量分数均低于野生型。其中max1突变体的叶绿素a质量分数相对于野生型降低了13%,但叶绿素b的质量分数却基本没有变化;而max2的叶绿素a,叶绿素b和总叶绿素质量分数分别较野生型降低了18%,19%和18%,差异显著(P < 0.05),说明MAX2蛋白可能参与了植物叶绿素合成的调控。比较叶绿素a/b发现,max1的叶绿素a/b显著低于野生型和max2(P < 0.05),虽然max2的叶绿素a和b质量分数相对于野生型均显著降低,但叶绿素a/b没有显著变化。独脚金内酯突变体叶片中类胡萝卜素质量分数也低于野生型,其中max1降低了最多,达到24%,而max2只降低了12%。因此,max1类胡萝卜素与叶绿素的比值低于野生型和max2,并与max2达到了显著性差异(P < 0.05)。
材料 叶绿素a/(mg·g-1) 叶绿素b/(mg·g-1) 总叶绿素/(mg·g-1) 类胡萝卜素/(mg·g-1) 叶绿素a/b 类胡萝卜素/叶绿素 野生型 1.18±0.12a 0.42±0.04 a 1.60±0.15a 0.25±0.03 a 2.79±0.11a 0.15±0.01ab max1 1.03±0.12a 0.41±0.04 a 1.44±0.16a 0.19±0.03 a 2.51±0.09 b 0.13±0.01b max2 0.97±0.01b 0.34±0.01b 1.32±0.00 b 0.22±0.01a 2.84±0.10a 0.17±0.01b 说明:同列不同小写字母表示差异达到显著水平(P < 0.05)。 Table 1. Content and partial ratio of photosynthetic pigments in leaves of strigolactione mutants and WT of Arabidopsis thaliana
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初始荧光Fo表示光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心处于完全开放时的荧光产量,最大荧光Fm表示PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量[21]。Fv/Fm表示光合中心将吸收的光能用于光化学反应的最大效率,是表征PSⅡ反应中心光能转化效率的关键指标[22]。Fv/Fo值表示PSⅡ潜在的光化学活性大小,反映光能吸收转化机构的完整性[21]。如表 2所示,与野生型相比,max1的Fo和Fm分别较野生型增加了20%和21%(P < 0.05),这种同比例上升的结果,虽然没有显著改变Fv/Fm值,但造成了Fv/Fo的显著下降。而在max2突变体中,Fm相对野生型和max1均显著降低,导致Fv/Fm显著下降。
材料 Fo Fm Fv Fv/Fm Fv/Fo 野生型 0.060±0.008 b 0.299±0.035 b 0.239±0.027 b 0.801±0.005 a l2.62±1.97 a max1 0.075±0.002 a 0.379±0.002 a 0.305±0.002 a 0.803±0.006 a 9.77±0.40 b max2 0.054±0.002 b 0.252±0.008 c 0.198±0.006 c 0.786±0.002 b l3.59±0.52 a 说明:同列不同小写字母表示差异达到显著水平(P < 0.05)。 Table 2. Comparison of Fv/Fm and Fv/Fo between strigolactione mutants and WT of Arabidopsis thaliana
进一步比较不同拟南芥中PSⅡ实际量子产量Y(Ⅱ),光化学淬灭系数qP,非光化学淬灭系数qN和QNP,非调节性能量耗散的量子产量Y(NO)以及电子传递速率ETR等荧光参数。结果如表 3所示:独脚金内酯信号突变体max2的Y(Ⅱ),qP及ETR等参数较野生型降低了21%,17%和21%,均达到显著差异(P < 0.05);而叶片的qN,QNP则显著升高,Y(NO)较野生型没有显著变化。而max1突变体则与max2不同,其Y(Ⅱ),ETR等较野生型略有降低,但没达到显著差异。虽然max1的qP值较对照降低,但仍然显著高于max2;而max1的qN和QNP与对照比没有显著差异,但Y(NO)值却显著高于野生型和max2(P < 0.05)。
材料 Y(Ⅱ) qP qN QNP Y(NO) ETR 野生型 0.543±0.014 a 0.756±0.014 a 0.440±0.020 b 0.142±0.011 b 0.291±0.006 b 23.25±0.59 a max1 0.521±0.025 a 0.720±0.027 b 0.435±0.018 b 0.138±0.008 b 0.308±0.013 a 22.30±1.08 a max2 0.427±0.015 b 0.647±0.015 c 0.579±0.018 a 0.227±0.013 a 0.301±0.001 b 18.28±0.63 b 说明:不同小写字母表示差异达到显著水平(P < 0.05)。 Table 3. Comparison of Y(Ⅱ), qP, qN, QNP, Y(NO) and ETR between strigolactione mutants and WT of Arabidopsis thaliana
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为进一步分析不同突变体叶绿素荧光参数对光强的响应,分别分析PSⅡ的有效量子产量Y(Ⅱ),光化学猝灭系数qP,非光化学猝灭系数QNP以及相对电子传递速率ErTR随光照强度变化。图 1是不同拟南芥独脚金内酯突变体的快速光响应曲线。结果显示:叶片的ErTR与qNP随光照强度的增加而增加,Y(Ⅱ)与qP随光照强度的增加而减小。其中在弱光和低光强时,突变体max1的光化学荧光指标与野生型差异不大,但随着光强的增加,max1的qP和QNP均低于野生型。而max2突变体的ErTR,Y(Ⅱ)和qP等指标随着光强的增加较野生型和max1显著降低,但QNP则显著高于野生型和max1。野生型在光强达到577 μmol·m-2·s-1时ErTR达到最大值,光强继续增加到800 μmol·m-2·s-1时ErTR基本保持稳定;而max1和max2的最大ErTR值则较野生型延后,出现在更高的光强水平(730 μmol·m-2·s-1),随光强继续增加则ErTR显著降低。