可变光条件下离子通量光合作用调节模型
植物和藻类通过光合作用收获阳光能量,将其转化为促进其新陈代谢的化学产品,并为所有生物体提供生物质。这种能量转换涉及几种严格调节的过程,作为光合依赖性反应共同称为。光合生物适于耐受各种气候,以及光强度条件的突然变化。为了避免过量光损坏,通过在称为非光化学猝灭(NPQ)的过程中作为热量的热量耗散淬火额外的能量,这在响应于光强度的波动经历激活和弛豫。该光保护散热过程发生在叶绿体的囊体膜中,并由几种蛋白质调节,包括离子通道和转运蛋白。
来自瑞典哥德堡大学的Cornelia Spetea教授和她的团队进行了与光合作用相关的基础研究,致力于识别新的离子通道和转运蛋白在可变光下调节NPQ过程。为了达到这些目的,他们根据模型植物的波动强度进行了实验拟南芥蒂利亚纳.通过遵循NPQ变化变化的变化模式,研究人员希望能够实现如何改善工程植物中光合作用的能效的一般性,以使其更适应突然的环境变化,并产生更好的作物。
调查光保护反应
为了确定参与调控光合作用NPQ过程的离子转运基因,Spetea教授和她的团队引入了单、双或三种基因突变拟南芥蒂利亚纳.与在可变光照条件下研究的野生型植物相比,这些突变使他们能够确定哪些基因的功能缺失改变了NPQ的激活或松弛。
该团队于2019年发布了一篇论文,呈现叶绿素荧光的变化如何表明吸收光有多少用于光合作用和糖生产,以及在对多个光(NPQ)的光保护机制中的热量散发多少。健康,野生型拟南芥蒂利亚纳植物能够保持两种过程的良好平衡,避免从过量的光线造成有害和抑制生长的损伤。另一方面,突变植物受到光线波动的影响。
光合作用的一个关键要素是通过产生质子的电化学潜在梯度来利用阳光能量(H.+),也称为质子动力(PMF)。Both the PMF – ultimately linked to the synthesis of ATP, the energy ‘currency’ of living organisms – and the photoprotective process of NPQ depend on the coordinated action of ion channels and transporters that regulate the fluxes of protons and other ions, mainly potassium (K+)、氯(Cl-)和镁(Mg2+).
研究人员希望能够实现如何提高光合作用的能源效率的一般性
工程植物。
解开调节光合作用的蛋白质网络
在他们2019年的出版物中,Spetea教授和她的合作者描述了K+运输器,称为kea3和两个cl-频道,称为clce和vccn1。这三种蛋白质由Spetea的实验室单独研究;他们的发现和表征的报告是2014年(KEA3)和2016年(CLCE和VCCN1在同一年的两种不同出版物中的高影响出版物的重点。KEA3局部地位于紫曲面膜上,依赖依赖性光合反应的部位。运输器负责K的pH依赖性摄取+离子进入类囊体,交换H+.VCCN1是一个电压依赖的离子通道,负责负电荷(Cl-离子)进入囊体。CLCE也充当紫花板结合的CL-渠道,但到目前为止,其行动机制尚未完全阐明。在以前的出版物(2016年)中,Spetea教授与她的共同作者一起提出了CLCE可能在CL的出口中发挥重要作用-从类囊体离子到叶绿体基质的光适应。
2019年公布的数据显示,KEA3、CLCe和VCCN1相互独立工作,它们的活动依赖于波动的光强度模式。KEA3在强光向弱光转化过程中调控光合作用,而VCCN1在弱光向强光转化过程中调控光合作用。CLCe对光合作用的影响主要表现在弱光条件下。通过在类囊体膜两侧移动离子,上述三种蛋白质可以加速NPQ的激活或弛豫,从而在可变光下微调光合作用。
VCCN1和CLCe的作用
VCCN1和CLCE在波动的光线条件下发挥不同的作用。vccn1介导电量的进口-以电压依赖性方式进入囊体中的离子。在从暗到低光的过渡,并且从低到高光线,VCCN1加速NPQ激活和光保护。Clce类似于vccn1的动作;然而,它仅在低光线条件下施加其效果。CLCE还以pH独立的方式提出了光合作用中的电子传输过程。
如果藻类的NPQ过程的拟议模型也在藻类中保存,它将提供大规模生产弹性光合生物的机会。
kea3的作用
KEA3属于6个KEA蛋白家族,经鉴定为K+离子转运蛋白在囊体膜中。KEA3在高光线条件下无效,并在降低光强度时快速激活以出口H.+从囊体外出来,因此消散pH梯度 - 与vccn1不同,vccn1构成梯度。KEA3加速了NPQ的放松和光保护从高到低光的过渡。与CLCE一起重新激活电子传输。
映射出整体模型
结合2019年提交的数据和之前的出版物,Spetea教授和她的团队提出了一个CLCe、KEA3和VCCN1参与光合作用调节的事件序列模型。在从黑暗过渡到弱光时,VCCN1进口Cl-离子进入类囊体,以ph依赖的方式激活NPQ。在CLCe的帮助下,光保护开始增加。不久之后,KEA3独立于其他两种蛋白质的作用,下调NPQ,建立一个低稳态,增加电子传递。KEA3通过出口H+进入叶绿体基质,交换K+离子,导致pH梯度降低。当光强度从低到高增加时,VCCN1成为主要调节剂,升高pH梯度并导致NPQ增加。从高到低光转变后,KEA3出口H.+从CLCE的协同作用中,脱离囊曲面减少了NPQ,而它通过电子传输链重新激活光能的捕获。所提出的模型表明,植物能够进行微调光合作用,适应波动光的条件。
未来发展方向
前进,研究人员旨在识别其他离子的渠道和运输车,如MG2+,并确认藻类可能具有类似于观察到的离子传输机制的假设拟南芥蒂利亚纳.藻类比植物更简单的光合生物,并增长更快。可以生长参与光合作用的基因的敏感突变体,以允许进一步研究和实验藻类。如果藻类的拟议模型也在藻类中保存,它将提供大规模生产弹性光合生物的机会,这些生物可以用于农产品,燃料和生物材料生产中的生物量的生物量。这是一个令人兴奋和复杂的地区,在斯威族教授和她的团队的开创性研究可能会导致后代的重大和重要进展。
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