黃瓜葉片線粒體交替氧化酶途徑在不同光溫條件下介導(dǎo)的光破壞防御作用.pdf

1、光是植物所必須的，但是當(dāng)植物吸收的光能超過葉片碳同化所需要的光能時就會產(chǎn)生過剩光能，導(dǎo)致光抑制的發(fā)生。在自然條件下光抑制的發(fā)生是不可避免的，因此在長期的進化過程中，植物進化出了一系列的光破壞防御機制緩解過剩光能對光合作用的抑制作用，例如環(huán)式電子傳遞、光呼吸、熱耗散、水-水循環(huán)以及活性氧清除系統(tǒng)等。這些葉綠體內(nèi)的光破壞防御機制已經(jīng)被廣泛深入研究，而對于葉綠體外的光破壞防御機制目前尚未有人探討。
　　 隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在強光

2、下葉綠體內(nèi)的過剩還原力會通過多種途徑從葉綠體內(nèi)輸出，并在其它的細(xì)胞器或細(xì)胞質(zhì)被中氧化耗散。最新的研究表明，在強光條件下植物葉片AOX途徑活性會大幅上調(diào)，人們推測這是因為強光下植物葉片葉綠體內(nèi)過剩還原力轉(zhuǎn)運至線粒體，而線粒體內(nèi)還原力NADH的過量積累激活了AOX途徑，進而加速了線粒體內(nèi)過剩還原力的消耗，加速了葉綠體內(nèi)過剩還原力的輸出，間接緩解了強光下植物葉片的光抑制。
　　 自然條件下，植物不可避免的會遭受逆境脅迫，例如高溫或低溫

3、等。葉綠體在低溫或高溫下非常脆弱，很容易受到傷害。而低溫或高溫下葉綠體內(nèi)的光破壞防御機制容易受到溫度影響而喪失保護功能，因此葉綠體外的光破壞防御作用在此時可能具有更明顯的光破壞防御作用。然而，目前為止仍然沒有直接的數(shù)據(jù)證明AOX途徑在不同溫度光照條件下也起到光破壞防御作用。因此，本研究系統(tǒng)地研究了常溫、低溫和高溫光照條件下黃瓜（Cucumis sativus L.cv.）葉片AOX途徑的光破壞防御作用及其相關(guān)的作用機理，同時對不同溫度對

4、AOX途徑的影響進行了細(xì)致的探討。具體的結(jié)果如下:
　　 (1)在弱光(200μmol photons m-2s-1)下，SHAM處理后黃瓜葉片F(xiàn)v/Fm并沒有顯著變化，但是光系統(tǒng)Ⅱ的實際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、光合線性電子傳遞速率(ETR)均顯著性下降，非還原性QB反應(yīng)中心顯著性升高，這表明即使在弱光下AOX途徑受抑后也會導(dǎo)致光抑制的加重。而在強光下（1000μmol photons m-2s-1）抑制AOX途徑后，黃瓜葉片F(xiàn)

5、v/Fm，ΦPSⅡ、ETR均顯著性下降，并且下降程度大于弱光下的下降程度，這表明AOX途徑受抑后光合電子傳遞鏈?zhǔn)艿搅嗣黠@的反饋抑制作用。為了進一步探討AOX途徑受抑后的傷害位點，分別測定了強光和弱光處理后的OJIP曲線，并對其進行了O點到P點標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果表明無論在強光還是弱光下J點均顯著升高，這說明無論在強光還是弱光下下AOX途徑受抑后都會導(dǎo)致QA向QB的電子傳遞受阻。結(jié)合JIP-test分析表明AOX途徑受抑雖然不會影響單位葉面積吸收

6、的光能，但是單位反應(yīng)中心吸收的光能和單位反應(yīng)中心捕獲的光能均顯著上升，這表明AOX途徑雖然不會影響葉片內(nèi)光能的吸收，但是可能會影響單位有活性反應(yīng)中心的數(shù)目。另外，弱光下AOX途徑受抑后，導(dǎo)致了活性氧清除機制以及NPQ的上調(diào)，避免了活性氧的過量積累，部分緩解了黃瓜葉片光抑制。而在強光下，AOX途徑受抑導(dǎo)致了黃瓜葉片更嚴(yán)重的光抑制，而此時活性氧清除機制以及NPQ的上調(diào)不足以緩解因AOX受抑而導(dǎo)致的活性氧過量積累。上述結(jié)果表明，不論在強光還是

7、弱光下，AOX途徑在黃瓜葉片光破壞防御過程中都起到重要作用，而且在強光下，AOX途徑對葉片的光破壞防御機制是葉綠體內(nèi)其他光破壞防御途徑所不能代替的。
　　 (2)高溫(40℃或45℃)下AOX途徑活性顯著高于常溫(25℃)下AOX途徑活性，而低溫（4℃或10℃）下AOX途徑活性顯著下降。高溫下，SHAM處理后Fv/Fm顯著下降，并且隨著溫度的升高，F(xiàn)v/Fm下降程度逐漸增大;而在低溫下，SHAM處理后Fv/Fm并無顯著變化，這表

8、明高溫下AOX途徑受抑后加重了光抑制，而低溫下AOX途徑受抑對光抑制無顯著影響。高溫下SHAM處理后，黃瓜葉片OJIP曲線P點顯著下降而J點顯著升高;而在低溫下抑制AOX途徑后OJIP曲線無明顯變化。JIP-test分析表明，高溫下SHAM處理后1-VJ顯著下降，而低溫下SHAM處理后1-VJ無顯著變化。高溫下SHAM處理后，ETR顯著下降，而1-qP顯著升高;低溫下SHAM處理后ETR無明顯變化。上述結(jié)果表明，高溫下AOX途徑受抑后葉

9、片激發(fā)壓增大造成反應(yīng)中心失活，導(dǎo)致光合電子傳遞鏈中QA向QB的電子傳遞明顯受阻，進而造成了光合線性電子傳遞速率下降。而低溫下AOX活性的顯著下降限制了其對光合電子傳遞鏈的保護作用。綜上所述，AOX途徑在高溫比低溫下具有更重要的光破壞防御作用。
　　 (3)常溫強光和弱光下AOX途徑的光破壞防御作用受抑后，依賴于NADP的蘋果酸脫氫酶以及依賴于NAD的蘋果酸脫氫酶的活性均顯著下降，這表明在常溫光照條件下AOX途徑的光破壞防御作用依

10、賴于“蘋果酸-草酰乙酸”穿梭途徑。然而這兩種酶的變化程度與光抑制的變化程度并不相符。因此我們有理由推測AOX途徑的光破壞防御作用還依賴于其它的過程。NADP-MDH以及NAD-MDH在高溫下的活性并沒顯著變化的結(jié)果表明“蘋果酸-草酰乙酸”穿梭在高溫下與常溫下的活性并沒有明顯變化，因此高溫下AOX途徑的光破壞防御作用對“蘋果酸-草酰乙酸”穿梭途徑的依賴程度相對較小。光呼吸的部分代謝途徑在線粒體內(nèi)進行。高溫下光呼吸活性顯著上調(diào)，而低溫下光呼