叶绿素荧光仪和光合仪高分应用文章集锦（2024年6月）

本文我们将回顾一下6月份德国WALZ调制叶绿素荧光仪参与发表的9篇高分文章，其中Nature Communications (1篇)；Science Advances (2篇)，The Plant Cell (1篇)，New Phytologist (1篇), Plant Physiology (1篇), The Plant Journal (3篇)。德国WALZ制造的PAM调制叶绿素荧光仪在光合作用研究领域遥遥领先~遥遥领先~

烷烃由许多生物体产生，并表现出多种生理作用，反映了高度的功能多样性。烷烃在植物中充当防水蜡，为昆虫传递信息素，以及在某些细菌中充当微生物信号分子。尽管在蓝藻和藻类叶绿体中发现了烷烃，但它们对光合膜的重要性仍然难以捉摸。

优化光合效率是开发更可持续和高产作物品种的一个非常有前途的策略。这一方法有可能显著提高田间作物的农艺性状，已有几项突破性成果证明了这一点，例如构建新的光呼吸支路、提高替代电子传递途径的效率或增加热耗散NPQ。2024年6月7日，Science Advances在线发表美国加州大学伯克利分校植物与微生物生物学系Krishna K. Niyogi课题组题为"Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1 noncoding sequences for transgene-free overexpression"的最新研究论文。报道了该研究小组通过CRISPR/Cas9工具编辑植物中自然存在的参与光保护过程的基因来改变光合作用。

另外，植物表型与蛋白表达关系的研究结果是鉴定出两种显著提高PsbS蛋白丰度和NPQ的等位基因，但OX等位基因的频率较低(1.67%)。研究发现，OX等位基因使OsPsbS1蛋白丰度增加了两到三倍，增强了NPQ能力和iWUE。PsbS丰度和NPQ之间存在对数关系，表明PsbS丰度的微小增加对NPQ能力的影响很小，这导致在筛选过程中KO/KD突变的富集。

结构变异和表型效应的研究发现，5′UTR插入/缺失和倒位在推动KO/KD和OX表型中起着重要作用。复杂的结构变异(如252-kb的重复/倒位)显著影响基因表达，而不会引起主要的脱靶转录组扰动。转录组分析显示，在重复/倒位区域内外的差异表达基因，表明基因调控的目标性和特异性。

气体交换和红光依赖的表型研究发现，PSBS1的过表达在非常高的光强下增加了NPQ能力，但也显示了在中等光强下PsbS蛋白丰度和iWUE之间的强相关性。这表明除了NPQ之外，其他因素(如类囊体醌的氧化还原状态)可能参与了在不同光照条件下调节光合作用和气孔导度。

总之，本研究的诸多发现强调了CRISPR-Cas9在通过靶向基因编辑产生显著遗传变异和改善农艺性状方面的潜力。高通量筛选方法有效地鉴定出理想表型，但OX等位基因的低频率表明随机顺式调控元件诱变的挑战。理解顺式调控机制并改进基因编辑策略，有助于开发具有显著农艺效益的小效应等位基因。

植物光合作用和呼吸对环境因素(例如光、空气温度和湿度、大气CO₂和土壤水)的响应已得到广泛研究。叶子的光合作用和呼吸作用也与植物的内部状态密切相关，其特征是非结构碳水化合物 (NSC) 和氮 (N) 浓度以及水势。然而，与外部环境变量相比，叶片气体交换率对叶片内部 NSC 浓度变化的响应受到的关注较少。

当多种生物共生时，它们必须协调新陈代谢和生理机能，以维持共生关系。如果共生体对应激源的反应不对称，这种协调就会瓦解，导致共生体解体，尤其是在气候紊乱的情况下。尽管最近在珊瑚等一些共生体中发现了应激引起的共生体解体(失调)现象，但在许多具有重要生态和进化意义的共生体中，这种现象仍未得到充分研究，其中包括第一个被认为是共生体的共生体：地衣。

2024年6月14日，Science Advances杂志在线发表美国明尼苏达大学Daniel E. Stanton实验室题为Symbionts out of sync: Decoupled physiological responses are widespread and ecologically important in lichen associations的研究论文。在本研究中，Abigail R. Meyer等人研究了地衣(Evernia mesomorpha)中这种不对称的生理、生态和转录基础。这种碳平衡的不对称性取决于水合来源，并与气候范围的限制相一致。E. mesomorpha共生体的基因表达差异表明，主要地衣共生体的生理结构是分离的。此外，研究人员还利用气体交换数据表明，碳平衡的不对称性在进化过程中不同的地衣共生体中普遍存在。以碳平衡不对称为例，他们为共生体中生理不对称的广泛重要性提供了证据。

光系统Ⅱ(PSⅡ)利用光能催化水氧化裂解和质体醌还原。在高光照条件下，它极易受到光损伤，受损的PSⅡ需要通过称为PSⅡ修复循环(PSII repair cycle)的过程进行修复。PSⅡ修复循环是一个多步骤的复杂过程，其中包括：(i)PSⅡ核心亚基的可逆磷酸化；(ii)PSⅡ核心的单聚体化和从基粒垛叠区到基质区的横向迁移；(iii)PSⅡ的部分解体；(iv)受损D1的蛋白水解降解；(v) 用新的拷贝替换受损的D1蛋白；(vi) PSⅡ单聚体的重新组装和迁移回基粒垛叠区进行二聚化和超复合物组装。即便如此，PSII修复过程的详细分子机制仍然难以捉摸。

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是世界上最重要的多年生豆科牧草之一，因其品质好、蛋白含量高、生态适应性广等优势，被称为“牧草之王”。全球土壤盐碱化面积逐年扩大，低温等极端天气时常发生。苜蓿具有较强的抗旱、抗寒、抗盐碱等特性，在中高纬度盐碱地种植紫花苜蓿不仅可以开发利用盐碱地、减缓土壤盐碱化趋势，还可以缓解其与粮食作物争夺土地的矛盾。前人研究大多集中在苜蓿在单一寒冷或盐碱胁迫下分析，缺乏对苜蓿在寒冷和盐碱胁迫下的全面研究。因此，研究植物对低温和盐碱复合胁迫的响应机制对提高农业和畜牧业生产水平具有重要意义。

2024年6月29日，The Plant Journal杂志在线发表了哈尔滨师范大学郭长虹教授团队题为“Metabolomics and transcriptomics analysis revealed the response mechanism of alfalfa to combined cold and saline-alkali stress”的研究论文，揭示了紫花苜蓿对低温和盐碱复合胁迫的响应机制。在本研究中，Lei Liu等人利用多组学分析了两种苜蓿(肇东[ZD]和蓝月亮[BM])对冷和盐碱胁迫的复杂响应机制。结果表明，ZD比BM具有更强的承受综合压力的能力。两个品种的三羧酸循环对联合胁迫做出积极反应，ZD积累了更多的糖、氨基酸和茉莉酸。两个品种的类黄酮生物合成途径基因表达量和类黄酮含量存在显着差异。加权基因共表达网络分析和基于RNA-Seq数据的共表达网络分析表明MsMYB12基因可能通过调节类黄酮生物合成途径来响应组合胁迫。MsMYB12可以直接结合MsFLS13的启动子并促进其表达。此外，MsFLS13过表达可以增强黄酮醇积累和抗氧化能力，从而提高综合应激耐受性。这些研究结果为提高苜蓿对寒冷和盐碱联合胁迫的抗性提供了新的见解，表明黄酮类化合物对于植物抵抗联合胁迫至关重要，并为未来的育种计划提供理论指导。

众所周知，溶解二氧化碳浓度的增加和海面温度的上升(海洋变暖)可以对海洋浮游植物产生相互作用，但在长期进化规模上这种相互作用的最终分子机制相对尚未被探索。

2024年6月29日，The Plant Journal杂志在线发表了广州大学金鹏老师课题组题为"The adaptive mechanisms of the marine diatom Thalassiosira weissflogii to long‐term high CO₂ and warming"的研究论文。在该研究中，Yunyue Zhou等人对适应变暖和/或高二氧化碳条件约3.5年的海洋硅藻(Thalassiosira weissflogii)进行了转录组学和定量代谢组学分析以及生理特征分析。研究发现，长期变暖对基因表达的影响比二氧化碳浓度升高的影响更明显，从而导致更多的差异表达基因(DEG)。在适应变暖+高二氧化碳的人群中观察到最大数量的DEG，表明这些因素之间存在潜在的协同相互作用。研究人员进一步确定了DEG发挥作用的代谢途径以及丰度显着变化的代谢物。他们发现，核糖体生物合成相关途径被上调，以满足变暖或变暖与高二氧化碳相结合后增加的物质和能量需求。这导致能量代谢途径的上调，例如糖酵解、光呼吸、三羧酸循环和氧化戊糖磷酸途径以及相关代谢物。这些代谢变化有助于补偿光化学效率和光合作用的降低。本研究强调核糖体生物合成的上调在促进浮游植物适应全球海洋变化方面发挥着重要作用，并阐明了全球变化背景下变暖和高二氧化碳对海洋浮游植物适应的相互作用影响。

柳树是一种非常常见的河道绿化树种，但是你知道吗？与雄性柳树相比，雌性柳树表现出更强的耐旱性，并且更多地受益于外源乙酸(AA)提高的耐旱性。然而，驱动这些性别特异性反应的潜在机制仍不清楚。

2024年6月30日，The Plant Journal杂志在线发表了四川大学生科院张胜教授课题组题为"Sexually dimorphic acetyl‐CoA biosynthesis and utilization in response to drought and exogenous acetic acid"的研究论文。在本研究中，研究人员为了全面研究柳树对干旱和外源 AA的性二态性响应机制，对暴露于干旱和AA干旱处理的雌性和雄性桃金娘柳进行了生理、蛋白质组、赖氨酸乙酰蛋白质组和转基因分析，重点关注蛋白质丰度和赖氨酸乙酰化 (LysAc)变化。耐旱雌性遭受干旱引起的光合作用和氧化损伤较少，并且不会像对干旱敏感的雄性那样强烈激活AA和乙酰辅酶A生物合成、TCA循环、脂肪酸代谢和茉莉酸信号传导。外源性AA会导致男性内源性 AA 过度积累，并抑制乙酰辅酶 A 的生物合成和利用。然而，外源AA极大地增强了乙酰辅酶A的生物合成和利用，并进一步增强了雌性的抗旱性能，这可能决定了AA比雄性更能提高雌性的耐旱性。有趣的是，乙酰辅酶A合成酶(ACS)的过度表达可以重新编程脂肪酸，增加LysAc水平，并提高耐旱性，这凸显了ACS衍生的乙酰辅酶A在干旱反应中的参与。此外，干旱和外源AA诱导柳树中与组蛋白、转录因子和代谢酶相关的性二态性LysAc。特别是，外源AA可以通过降低LysAc水平和增加光合蛋白的丰度来极大地提高S. myrtillacea雄性的光合能力。虽然糖酵解、TCA循环和脂肪酸生物合成中的过度乙酰化可能作为负反馈，以适应干旱胁迫的雄性和施用AA的雌性的乙酰辅酶A生物合成和利用。因此，乙酰辅酶A的生物合成和利用决定了桃金娘对干旱和外源AA的性二态性反应。

2. Patel-Tupper, D., et al. (2024). "Multiplexed CRISPR-Cas9 mutagenesis of rice PSBS1 noncoding sequences for transgene-free overexpression." Science Advances 10(23): eadm7452.

3. Tian, M., et al. (2024). "Seasonal dynamics and punctuated carbon sink reduction suggest photosynthetic capacity of boreal silver birch is reduced by the accumulation of hexose." New Phytologist n/a(n/a).

4. Zhang, Z., et al. (2024). "The MdHSC70-MdWRKY75 module mediates basal apple thermotolerance by regulating the expression of heat shock factor genes." The Plant Cell.

5. Meyer, A. R., et al. (2024). "Symbionts out of sync: Decoupled physiological responses are widespread and ecologically important in lichen associations." Science Advances 10(24): eado2783.

6. Li, A., et al. (2024). "Structural basis for an early stage of the photosystem II repair cycle in Chlamydomonas reinhardtii." Nature communications 15(1): 5211.

7. Liu, L., et al. (2024). "Metabolomics and transcriptomics analysis revealed the response mechanism of alfalfa to combined cold and saline-alkali stress." The Plant Journal n/a(n/a).

8. Zhou, Y., et al. (2024). "The adaptive mechanisms of the marine diatom Thalassiosira weissflogii to long-term high CO2 and warming." The Plant Journal n/a(n/a).

9. Xia, L., et al. (2024). "Sexually dimorphic acetyl-CoA biosynthesis and utilization in response to drought and exogenous acetic acid." The Plant Journal n/a(n/a).

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