光照和黑暗对杉木子叶光合系统建成的影响研究

发布时间：2020-05-18 08:46

【摘要】：光是影响植物生长发育最重要的环境因素之一,在完全黑暗条件下生长的被子植物幼苗子叶呈黄化状态,而裸子植物幼苗子叶则可以合成叶绿素,仍呈现绿色。因此,以裸子植物为实验材料,研究幼苗建成过程中发生的一系列变化,可以了解光对裸子植物幼苗形态建成、叶绿体建成和光合作用过程的影响。本论文研究了光照和黑暗条件下杉木幼苗光合系统发育以及幼苗的形态建成,杉木是我国南方最重要的针叶造林树种,因此,本论文研究结果除了具有基础理论价值外,也为杉木育苗和生产提供了参考。本研究以裸子植物杉木为实验材料,分别用激光共聚焦显微、透射电子显微镜观察了质体的显微结构和超微结构;用Maxi-Imaging-PAM和DUAL-PAM-100光合仪分析了 PSⅠ和PSⅡ系统活性;用Blue-native PAGE、SDS-PAGE电泳和Western blot杂交印迹技术对类囊体膜蛋白以及超级复合体的合成和组装进行了分离检测;还利用Illumina测序技术对光照和黑暗条件下生长的杉木幼苗子叶光合器官建成相关基因进行了全面的分析。结果显示,杉木在完全黑暗下可以合成叶绿素,这与被子模式植物完全不同;也可以发育出类囊体膜和垛叠的基粒结构,但没有光照条件下发育的叶绿体的类囊体膜系统发达,除此之外,还有晶格状结构的原片层体,是典型的黄化叶绿体特征。叶绿素荧光参数结果显示,黑暗条件下发育的黄化叶绿体PSⅡ活性很低,而PSⅠ驱动的循环电子流速率要远远高于PSⅡ调控的光子捕获率。循环电子流传递过程可以产生ATP。杉木见光后光系统恢复时间显著快于拟南芥。无论是光照还是黑暗条件下发育的杉木幼苗,都可以合成光合系统相关蛋白,并能组装成超级复合体,但相对而言,黑暗条件下,无论是超级复合体的表达量还是各蛋白亚基的表达量都显著低于光培养幼苗。暗培养幼苗中PsaC,D1和CF1α三个蛋白的表达量约为光培养幼苗的1/4;而与CEF有关的NdhH和FNR蛋白表达量则明显增加,接近光培养幼苗的1/2。另外,FNR在Cyt b6f与自由组分之间重定位,即FNR在光培养幼苗中多以游离状态被分离,而在暗培养幼苗中则多和Cyt b6f形成复合体结构,这与光合数据中暗培养幼苗PSⅠ活性大于PSⅡ是一致的,表明黑暗条件下发育的杉木中存在着FNR和NDH调控的CEF传递途径。值得注意的是,在捕光蛋白的存在形式上,两种条件下发育的幼苗也有差异。免疫印迹结果表明,两个样本中的LHCⅡ共有三种存在形式:LHCⅡ单体、LHCⅡ三聚体和PSⅡ-LHCⅡ超级复合体。在暗培养的幼苗类囊体膜中,LHCⅡ以游离态单体形式存在比例多,结合成超级复合体的LHCⅡ比例较少。这与黑暗条件下长期无光线摄入有关,同时与光合数据中黑暗幼苗Fo值高和Fv/Fm值低的结果也是一致的。而光照则增加了 PSⅡ-LHCⅡ超级复合体的形成和组装,因此,光照下发育的类囊体膜中PSⅡ-LHCⅡ超级复合体的比例显著增加。杉木转录组测序结果显示,光照对天线蛋白和光合作用其他相关蛋白的基因表达都有促进作用。光照对光合类囊体膜系统PSⅡ、PSⅠ、Cyt b6f和ATPase这四个主要蛋白复合体各亚基编码基因的影响规律是:对核编码基因的影响大于对叶绿体编码基因的影响。总之,本研究通过对杉木幼苗形态建成、叶绿体解剖结构、光合活性、光合相关基因以及蛋白复合体(超级复合体)进行了全面分析,揭示了在完全黑暗下建成的裸子植物杉木幼苗光合器官具备进行光合作用光反应的能力。同时,也阐明了裸子植物杉木光依赖和非光依赖光合器官早期发育建成状态和电子传递链相关调控机制,为以后继续研究裸子植物光合系统的进化提供参考。
【图文】：

照和黑暗对杉木子叶光合系统建成的影响研究是由四个卩比略环（Ｐｙｒｒｏｌｅｒｉｎｇ）邋（Ｉ－ＩＶ）连接形ＩＶ环被叶绿醇（Ｐｈｙｔｏｌ）酯化。叶绿素《邋（Ｃｈｉ的捕光色素叶绿素６邋（Ｃｈｉ邋６）则以甲酰基结构程是一个复杂的过程，每一个叶绿素分子需要ｉｄ，ＡＬＡ）在叶绿体中以共扼双键结合。叶绿核糖体合成后，再输送到叶绿体基质（Ｓｔｒｏｍａ）

ＣＰＳＰ）。相比较而言，ＬＥＦ途径需ＰＳＩ与ＰＳＩＩ均参与其中，电子传递过程同时形成逡逑ＮＡＤＰＨ和ＡＴＰ两种高能化合物：而ＣＥＦ过程只有ＰＳＩ参与，产生跨膜质子梯度并通过逡逑ＡＴＰ酶合成ＡＴＰ，电子并不参与形成ＮＡＤＰＨ邋（图１－４）。由此可见，ＰＳＩ对电子在ＬＥＦ逡逑或ＣＥＦ传递途径的选择中起重要作用，也是电子传递过程中形成ＣＥＦ的关键节点。而逡逑电子在光合电子传递过程中所经过的途径和受体分子决定了邋ＡＴＰ与ＮＡＤＰＨ的产量。逡逑ＮＡＤＰＨ邋＞＝＞邋（邋ａｌｖｉｎ邋ｃｖｉｌｅ逡逑ＦＮＲ逡逑＾逦ｅ逡逑Ｆｄ逡逑１邋／邋Ｆｄ逡逑ＦＮＲ邋Ｊ｜逡逑ＰＳＩＩ逦＾ｂ６．ｆ逦ＰＳＩ逦Ｉ＇Ｑ邋（ｙｔ￣／邋ＰＳＩ逡逑４逦ｊ逦＾逦—ｉ逦Ｊ逦ｖＷ邋NBＨ逡逑ｅ－＾逦＾逦ｅ－邋ｐｃ逡逑ＰＣ邋Ｖ逡逑ＬＥＦ逦ＣＥＦ逡逑图１－４邋ＬＥＦ和ＣＥＦ示意图（根据Ｉｗａｉ，２０１０改画）逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＬＥＦ邋ａｎｄ邋ＣＥＦ邋（ｍｏｄｉｆｉｅｄ邋ｆｒｏｍ邋Ｉｗａｉ，邋２０１０）逡逑１．５．２．循环电子传递途径逡逑ＣＥＦ现象最初由Ａｒｎｏｎ等人在离体疲菜（■Ｓｐ／ｗａｃ／ａｏ／ｅｒａｃｅａ）叶绿体中发现（Ａｍｏｎ逡逑等，１９５４），，他们于１９５８年明确提出了循环光合磷酸化和非循环光合磷酸化的概念逡逑（Ａｒｎｏｎ等，１９５８）。国内最早报道ＣＥＦ是在１９６４年，中国科学院上海生命科学研究逡逑院植物生理生态研宄所（原中国科学院上海植物生理研宄所）观察到甘薯（Ｄ／ｏｗｏｒｅａ逡逑四离体叶细胞制剂内的ＣＥＦ邋（沈巩iY等
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S791.27

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本文编号：2669468