摘""要:葉片光合作用是維持植物生命活動(dòng)的能量來源,但在華南地區(qū)一些澳洲堅(jiān)果品種的新梢葉片通常在夏季持續(xù)高溫條件下發(fā)生黃化,嚴(yán)重影響了植株生長和果實(shí)生產(chǎn)。為了探究澳洲堅(jiān)果黃化葉片的光合能量發(fā)生機(jī)制,本研究基于前期獲得的HAES344澳洲堅(jiān)果不同黃化時(shí)期葉片轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù),鑒定與篩選光合能量代謝相關(guān)基因,并通過qRT-PCR分析光合能量代謝中的關(guān)鍵基因在HAES344澳洲堅(jiān)果葉片黃化過程中的表達(dá)變化。結(jié)果表明:通過KEGG功能注釋和富集分析,在HAES344澳洲堅(jiān)果葉片黃化期間共鑒定出96個(gè)差異表達(dá)基因與能量代謝相關(guān),以氧化磷酸化路徑富集的差異基因數(shù)量最多,其次是碳固定路徑,而富集到天線蛋白的差異基因最少;經(jīng)過篩選(RPKMgt;0.5),共獲得43個(gè)基因與光合能量代謝相關(guān),其中有27個(gè)基因的表達(dá)量在黃化葉片中明顯降低,另有16個(gè)基因的表達(dá)量變化則相反。利用qRT-PCR分析光合能量代謝中重要功能基因的相對(duì)表達(dá)量發(fā)現(xiàn),在HAES344澳洲堅(jiān)果黃化葉片中有關(guān)光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)天線蛋白編碼基因CAP10A、ATP合酶亞基蛋白編碼基因(ATPC、ATPF)、碳同化酶基因(GAPA、GPD、At4g2652、rbcL)、硫氧還蛋白編碼基因(Os05g0200100、CXXS1)及質(zhì)體蛋白跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)基因TIC32的轉(zhuǎn)錄水平均顯著低于其正常葉片,而有關(guān)硫代謝基因(SIR、APR3)和環(huán)式電子傳遞介導(dǎo)基因(PGR5、ndhB、ndhD)的相對(duì)表達(dá)量則顯著高于其正常葉片,表明澳洲堅(jiān)果黃化葉片中光合能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)模式發(fā)生了較大改變,進(jìn)而影響了光合能量的產(chǎn)生。該研究結(jié)果為深入探討光合能量代謝相關(guān)基因在澳洲堅(jiān)果黃化葉片中的作用機(jī)制提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞:澳洲堅(jiān)果;葉片黃化;光合作用;能量代謝;電子傳遞中圖分類號(hào):S664.9""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
Expression"of"Genes"Related"to"Photosynthetic"Energy"Metabolism"During"Leaf"Yellowing"of"Macadamia
YANG"Weihai,"GUO"Shanxiang,"XU"Ting,"XIAO"Yi,"LEI"Wenjun
College"of"Life"Science"and"Resources"and"Environment,"Yichun"University,"Yichun,"Jiangxi"336000,"China
Abstract:"Leaf"photosynthesis"is"the"energy"source"of"plant"life"activities."However,"some"macadamia"varieties"(Macadamia"integrifolia)"planted"in"southern"China"are"prone"to"generate"the"etiolated"leaves"under"the"continuous"high"temperature"in"summer,"which"seriously"affects"the"shoot"growth"and"fruit"production"of"macadamia"trees."In"order"to"explore"the"mechanism"of"photosynthetic"energy"generation"in"the"etiolated"leaves"of"macadamia,"the"genes"related"to"photosynthetic"energy"metabolism"were"identified"and"screened"in"this"study,"based"on"the"previously"obtained"transcriptome"sequencing"data"from"the"leaves"of"HAES344"macadamia"at"different"yellowing"stages,"and"the"expression"changes"of"the"key"genes"in"photosynthetic"energy"metabolism"were"analyzed"during"leaf"yellowing"of"HAES344"macadamia"by"qRT-PCR."96"genes"with"differential"expression"in"the"etiolated"leaves"of"HAES344"macadamia"were"identified"to"be"related"to"energy"metabolism"according"to"KEGG"functional"annotation"and"enrichment"analysis,"and"the"number"of"the"differentially"expressed"genes"enriched"in"the"oxidative"phosphorylation"pathway"was"the"highest,"followed"by"carbon"fixation"pathway,"and"the"least"genes"were"enriched"in"the"antenna"proteins."After"screening"(RPKMgt;0.5),"a"total"of"43"genes"related"to"photosynthetic"energy"metabolism"were"obtained."Among"these"genes,"the"expression"level"of"27"genes"decreased"significantly"in"the"yellowed"leaves,"while"the"remaining"16"genes"did"the"opposite."Through"the"qRT-PCR"analysis"of"the"relative"expression"level"of"key"functional"genes"in"the"photosynthetic"energy"metabolism,"the"CAP10A"gene"encoding"photosystem"Ⅱ"(PSⅡ)"antenna"protein,"the"ATPC"and"ATPF"genes"encoding"ATPase"subunit"protein,"the"enzyme"genes"related"to"carbon"assimilation"(GAPA,"GPD,"At4g2652"and"rbcL),"the"Os05g0200100"and"CXXS1"genes"encoding"thioredoxin,"and"the"TIC32"gene"associated"with"plastid"protein"transmembrane"transport"showed"a"significant"lower"transcription"level"in"the"etiolated"leaves"of"HAES344"macadamia"compared"with"the"normal"leaves,"while"the"SIR"and"APR3"genes"related"to"sulfur"metabolism"and"the"PGR5,"ndhB"and"ndhD"genes"mediating"cyclic"electron"transfer"did"the"opposite,"which"suggested"that"the"greatly"changed"expression"patterns"of"genes"related"to"photosynthetic"energy"metabolism"affected"the"production"of"photosynthetic"energy"in"the"macadamia"yellowing"leaves."The"results"of"this"study"would"provide"a"reference"for"further"exploring"the"mechanism"of"photosynthetic"energy"metabolism-related"genes"in"the"etiolated"leaves"of"macadamia.
Keywords:"macadamia"(Macadamia"integrifolia);"leaf"yellowing;"photosynthesis;"energy"metabolism;"electron"transport
DOI:"10.3969/j.issn.1000-2561.2024.06.003
澳洲堅(jiān)果(Macadamia"integrifolia)起源于澳大利亞,因其果仁營養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨(dú)特而在熱帶及亞熱帶地區(qū)廣泛栽培。中國是澳洲堅(jiān)果生產(chǎn)大國,種植面積超過20萬hm2,穩(wěn)居世界第一[1]。云南與廣西作為我國澳洲堅(jiān)果的兩大重要產(chǎn)區(qū),其主栽品種HAES344和桂熱1號(hào)在夏季持續(xù)的高溫條件下經(jīng)常出現(xiàn)新梢葉片黃化現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)甚至干枯,進(jìn)而影響果實(shí)產(chǎn)量[2],嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)匕闹迗?jiān)果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
光合作用對(duì)高溫脅迫尤為敏感。高溫能夠破壞光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的捕光天線系統(tǒng)、供體側(cè)放氧復(fù)合體以及反應(yīng)中心結(jié)構(gòu),影響PSⅡ受體側(cè)電子傳遞及其光合放氧功能;同時(shí),高溫影響光合反應(yīng)過程中相關(guān)酶的活性,進(jìn)而影響碳同化效率[3]。核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)羧化酶/加氧酶(Rubisco)是碳同化的關(guān)鍵酶和限速酶,該酶在葉綠體基質(zhì)中大部分處于鈍化形態(tài),只有經(jīng)Rubisco活化酶(RCA)活化后才具備活性[4]。然而,RCA對(duì)高溫非常敏感,因RCA活性受到抑制而造成活化的Rubisco數(shù)量減少,是高溫脅迫下葉片Rubisco活性及光合速率降低的一個(gè)重要原因[5]。在梨黃化葉片中,RCA活性及其編碼基因Rubisco"activase"Ⅳ/Ⅴ的表達(dá)均正向調(diào)控光合作用[6]。Rubisco的大亞基(rbcL)在光合作用中起著關(guān)鍵性作用[7],脅迫條件下rbcL基因的表達(dá)量下調(diào)可導(dǎo)致其光合作用下降[8-9]。另外,甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)[10]、果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(FBA)[11]、核糖-5-磷酸異構(gòu)酶(RPI)[12]等酶的活性水平也與卡爾文循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率有關(guān),影響著植物的光合能力。高溫條件下,葉綠體中GAPDH[13]與FBA[6,"14]顯著上調(diào)表達(dá),有利于提高其編碼酶的蛋白表達(dá)水平及活性,增強(qiáng)葉片光合能力。
正常情況下,光反應(yīng)能夠?yàn)樘纪峁┍壤线m的ATP/NADPH能量分子。然而,發(fā)生在類囊體片層的光反應(yīng)是容易受到高溫脅迫損傷的關(guān)鍵位點(diǎn),造成ATP及NADPH的生產(chǎn)和消耗失衡,進(jìn)而誘導(dǎo)光化學(xué)電子傳遞鏈組分過度還原與活性氧(ROS)過量產(chǎn)生,導(dǎo)致光抑制的增強(qiáng)和光系統(tǒng)的氧化損傷[15-16]。在葉綠體中,ATP是由ATP合酶(ATPase)催化光合磷酸化反應(yīng)而產(chǎn)生,NADPH則是在線性電子傳遞鏈末端通過葉型鐵氧還蛋白(Fd)-NADP+氧化還原酶(LFNR)催化而成。高溫脅迫明顯降低苜蓿葉綠體的ATPase"活性和ATP含量,光合速率亦明顯下降[17]。葉面噴施亞精胺可顯著增加熱脅迫下ATPase亞基CF1及其編碼基因ATPA的表達(dá)[18]。ZHANG等[19]指出,高溫脅迫容易使得光合線性電子傳遞受阻,導(dǎo)致非循環(huán)光合磷酸化活性下降,影響ATP的產(chǎn)生。HUANG等[20]發(fā)現(xiàn),在短暫的溫度脅迫下,植物會(huì)激活圍繞光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)的環(huán)式電子傳遞,亦可通過ATPase驅(qū)動(dòng)ATP合成,保證有足夠的ATP用于碳同化、光呼吸以及PSⅡ修復(fù)。YAMORI等[21]認(rèn)為,環(huán)式電子傳遞循環(huán)對(duì)提高葉綠體內(nèi)ATP含量或者ATP/NADPH比值以及保護(hù)光系統(tǒng)免遭脅迫引起的氧化損害具有重要作用。然而,環(huán)式電子傳遞循環(huán)對(duì)各電子載體的氧化還原平衡高度敏感。溫度變化可通過影響硫氧還蛋白(Trx)的氧化還原狀態(tài)來調(diào)節(jié)電子載體的氧化還原活性及其電子傳遞效率[22]。KANG等[23]認(rèn)為,Trx不僅可以通過依賴Fd的Trx氧化還原酶(FTR)調(diào)節(jié)PGR5/PGRL1介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞途徑,也可以通過依賴NADPH的Trx還原酶C(NTRC)控制光合電子傳遞和非光化學(xué)淬滅,還能夠?qū)θ~綠體酶(如GAPDH、RCA)的巰基進(jìn)行還原調(diào)控,以調(diào)節(jié)光合碳同化過程。過表達(dá)NTRC能夠促進(jìn)葉綠體ATPase和Trx調(diào)節(jié)酶的活化[23],提高PGR5表達(dá)量可增強(qiáng)環(huán)式電子流[24],進(jìn)而增強(qiáng)植物的抗性。
前期研究已表明,受高溫脅迫引發(fā)的HAES344澳洲堅(jiān)果黃化葉片中葉綠素含量和PSⅡ活性均明顯降低[2],但在葉片黃化過程中光合能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)情況尚不清楚。因此,本研究基于前期測(cè)序的HAES344澳洲堅(jiān)果黃化葉片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[25],采用生物信息學(xué)方法對(duì)其光合能量代謝相關(guān)差異表達(dá)基因進(jìn)行篩選,通過qRT-PCR進(jìn)一步分析其中重要基因的表達(dá)變化,進(jìn)而解析澳洲堅(jiān)果葉片黃化過程中光合能量代謝相關(guān)基因的差異表達(dá)規(guī)律,為深入認(rèn)識(shí)澳洲堅(jiān)果葉片黃化機(jī)理奠定基礎(chǔ)。
1.1""材料
以廣東省湛江市的3株樹冠生長較一致、夏梢正常抽生的8~10年生HAES344澳洲堅(jiān)果植株作為供試材料,于2019年6月1日(S1:全綠葉片)、20日(S2:中度黃化葉片,黃化面積占總?cè)~面積的50%~70%)和28日(S3:重度黃化葉片,黃化面積接近100%)分別在樹冠外圍采集夏梢上初始成熟的第4~5輪葉片作為樣品(圖1),將葉片用超純水沖洗干凈后剪碎,置于–80"℃冰箱中備用。
1.2""方法
1.2.1""能量代謝相關(guān)基因的篩選""基因表達(dá)量數(shù)據(jù)來源于前期獲得的HAES344澳洲堅(jiān)果不同黃化時(shí)期葉片(各時(shí)期均為3個(gè)生物學(xué)重復(fù))轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[25]。利用DESeq2軟件進(jìn)行差異基因分析,結(jié)合KEGG、Nr、Pfam等數(shù)據(jù)庫的基因功能注釋,按照Plt;0.05且[∣log2"(Fold"Change)∣≥1]的標(biāo)準(zhǔn),篩選出HAES344澳洲堅(jiān)果葉片黃化過程中與能量代謝相關(guān)的差異表達(dá)基因。
1.2.2""qRT-PCR分析""從能量代謝差異基因中選擇與光合作用相關(guān)的部分重要基因進(jìn)行qRT-PCR分析。根據(jù)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果中的轉(zhuǎn)錄本序列,應(yīng)用Primer"Premier"6.0軟件設(shè)計(jì)引物,以澳洲堅(jiān)果中的蘋果酸脫氫酶基因MDH為內(nèi)參基因[26]?;虻囊镄蛄形心暇┘蓟圻h(yuǎn)生物科技有限公司合成(表1)。
應(yīng)用多糖多酚植物總RNA試劑盒(DP441,北京天根生化科技有限公司)提取葉片樣品的RNA,經(jīng)檢測(cè)RNA質(zhì)量后,使用Hifair?Ⅲ"1st"Strand"cDNA"Synthesis"SuperMix"for"qPCR試劑盒(YEASEN,上海翌圣生物科技股份有限公司)反轉(zhuǎn)錄合成第1鏈cDNA,再采用Genious"2×"SYBR"Green"Fast"qPCR"Mix試劑盒(ABclonal,武漢愛博泰克生物科技有限公司)對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行qRT-PCR檢測(cè)。PCR反應(yīng)體系(20"μL)為:1.0"μL"cDNA,1.0"μL正向引物,1.0"μL反向引物,10"μL"SYBR"Premix"Ex"Taq,7.0"μL"ddH2O。測(cè)定儀器為BIOER實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀(FQD-96A),反應(yīng)程序(兩步法)為:95"℃"5"min,95"℃"10"s,60"℃"30"s,40個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù),每個(gè)樣品重復(fù)3次;用2-??CT法計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。
1.3""數(shù)據(jù)處理
所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是3個(gè)獨(dú)立生物學(xué)重復(fù)的平均值,利用SPSS"16.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行One-"Way"ANOVA(LSD測(cè)驗(yàn))檢驗(yàn),Plt;0.05表示顯著性差異。應(yīng)用GraphPad"Prism"8.0軟件制圖。
2.1""能量代謝相關(guān)基因的鑒定
基于前期獲得的HAES344澳洲堅(jiān)果不同黃化時(shí)期(S1、S2和S3)葉片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[25],根據(jù)KEGG的注釋結(jié)果,鑒定出96個(gè)與能量代謝途徑相關(guān)的差異基因。如圖2A所示,S1"vs"S2、S1"vs"S3和S2"vs"S3比較組分別有6、17和14個(gè)上調(diào)基因以及33、46和6個(gè)下調(diào)基因。韋恩圖分析表明,僅有2個(gè)差異基因共同存在于S1"vs"S2、S1"vs"S3和S2"vs"S3比較組中,但S1"vs"S2和S1"vs"S3共同包含的差異基因最多,達(dá)到18個(gè)(圖2B)。
KEGG富集分析表明,S1"vs"S2、S1"vs"S3和S2"vs"S3分別有20、29和8個(gè)差異基因注釋到氧化磷酸化路徑,是基因數(shù)量富集最多的路徑;其次是碳固定路徑,3個(gè)比較組中分別有9、14和7個(gè)差異基因得到注釋,但注釋到天線蛋白的差異基因最少,僅在S1"vs"S3中發(fā)現(xiàn)有1個(gè)基因被注釋(表2)。
2.2""光合能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)分析
篩除低表達(dá)豐度的基因(RPKMlt;0.5)后,共獲得1個(gè)天線蛋白基因CAP10A和6個(gè)光合作用相關(guān)基因(圖3A)以及16個(gè)碳固定相關(guān)基因(圖3B)、14個(gè)光合磷酸化相關(guān)基因(圖3C)與6個(gè)硫代謝相關(guān)基因(圖3D),這些基因在HAES344澳洲堅(jiān)果葉片黃化過程中具有不同的表達(dá)趨勢(shì)。
與正常綠葉(S1)相比,在天線蛋白與光合作用途徑中,除PSⅠ相關(guān)基因psaI在黃化葉片S2中顯著上調(diào)表達(dá)外,其余6個(gè)基因則在黃化葉片(S2、S3)中顯著下調(diào)表達(dá),包括2個(gè)ATPase相關(guān)基因(ATPC與atpI)和4個(gè)PSⅡ復(fù)合體組成蛋白相關(guān)基因(CAP10A、PSBP和2個(gè)PSBR)(圖3A);在碳固定途徑中,包括3個(gè)FBA編碼基因(2個(gè)FBA1和At4g26520)、3個(gè)GAPDH編碼基因(GAPA和2個(gè)GPD)等在內(nèi)的10個(gè)基因在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),而另外的6個(gè)基因的表達(dá)則相反,其中包括2個(gè)RPI編碼基因(RPI2)和3個(gè)Rubisco相關(guān)基因(rbcL、RBCS和RBCS1)(圖3B);在光合磷酸化途徑中,包括4個(gè)Trx編碼基因(Trx1、CXXS1、Os05g0200100、Atlg76760)、2個(gè)NADH-質(zhì)體醌氧化還原酶相關(guān)基因(ndhK與ndhB2)和2個(gè)LFNR跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因(TIC32)等在內(nèi)的9個(gè)基因均在黃化葉片中發(fā)生下調(diào)表達(dá),而包括Trx還原酶編碼基因NTR2、PGR5蛋白編碼基因PGR5、NADH脫氫酶(NDH)相關(guān)基因ndhB等在內(nèi)的5個(gè)基因的表達(dá)則相反(圖3C);對(duì)于硫代謝相關(guān)基因,包括亞硫酸還原酶(SIR)編碼基因(SIR和SIR1)、5'-腺苷酰硫酸還原酶(APR)基因APR3等在內(nèi)的4個(gè)基因均在黃化葉片中明顯上調(diào)表達(dá),其余2個(gè)基因的表達(dá)則相反(圖3D)。這一結(jié)果顯示,上述基因的顯著上調(diào)或下調(diào)表達(dá)可能在HAES344澳洲堅(jiān)果葉片黃化過程中對(duì)光合能量代謝具有正調(diào)控或負(fù)調(diào)控作用。
2.3""光合能量代謝相關(guān)基因的qRT-PCR分析
對(duì)20個(gè)重要的光合能量代謝相關(guān)基因進(jìn)行qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn),CAP10A、ATPC、ATPF、rbcL、GAPA、GPD、At4g26520、ndhK、TIC32、CXXS1和Os05g0200100的相對(duì)表達(dá)量在葉片黃化過程中逐漸降低。其中,CAP10A、ATPC、GAPA、GPD、At4g26520和ndhK在S1時(shí)期的相對(duì)表達(dá)量均顯著高于S2和S3,但其在S2與S3之間的表達(dá)量差異均不顯著;ATPF、rbcL、TIC32和CXXS1在S3時(shí)期的相對(duì)表達(dá)量均顯著低于S1和S2,而其在S1與S2之間的表達(dá)量差異均不顯著;Os05g0200100在S1時(shí)期的相對(duì)表達(dá)量顯著高于S3,但其在S1與S2之間以及S2與S3之間的表達(dá)量差異均不顯著(圖4)。
在葉片黃化期間,RPI2、ndhD、PGR5、NTR2、APR3和SIR的相對(duì)表達(dá)量逐漸升高。其中,ndhD、PGR5、NTR2和APR3在S1時(shí)期的相對(duì)表達(dá)量均顯著低于S2和S3,但其在S2與S3之間的表達(dá)量差異均不顯著;RPI2和SIR在S3時(shí)期的相對(duì)表達(dá)量均顯著高于S1和S2,而其在S1與S2之間的表達(dá)量差異均不顯著。另外,ATPA和ndhB的相對(duì)不同小寫字母表示不同時(shí)期間差異顯著(Plt;0.05)。
表達(dá)量均呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì),RCA的表達(dá)變化則相對(duì)平穩(wěn)。其中,ATPA在S2和S3時(shí)期的相對(duì)表達(dá)量均顯著高于S1,但其在S2與S3之間差異不明顯;ndhB在S2時(shí)期的相對(duì)表達(dá)量均顯著高于S1和S3,但其在S1與S3之間差異不顯著(圖4)。
在本研究中,基于KEGG注釋和富集分析,從鑒定出的96個(gè)與能量代謝途徑相關(guān)的差異基因中篩選到了43個(gè)參與光合能量代謝的功能基因,發(fā)現(xiàn)有27個(gè)基因在HAES344澳洲堅(jiān)果黃化葉片中下調(diào)表達(dá),其余16個(gè)基因則在黃化葉片中上調(diào)表達(dá),說明這些基因?qū)S化葉片的光合能量代謝發(fā)揮了重要作用。進(jìn)一步選取20個(gè)關(guān)鍵的光合能量代謝相關(guān)基因進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析發(fā)現(xiàn),大部分基因的相對(duì)表達(dá)量變化與轉(zhuǎn)錄組中基因的RPKM值變化趨勢(shì)基本一致,進(jìn)一步表明本研究挑選的20個(gè)關(guān)鍵基因極可能參與了光合能量代謝。
3.1""PSⅡ結(jié)構(gòu)與功能
夏季高溫常導(dǎo)致HAES344澳洲堅(jiān)果新梢葉片變黃,這與ROS積累引起的葉綠素降解和PSⅡ損傷密切相關(guān)[2]。葉綠素作為光合作用的決定性因素,影響著光合同化產(chǎn)物的形成[27]。植物在進(jìn)行光合作用時(shí),葉綠素只有與葉綠素a/b結(jié)合蛋白結(jié)合形成色素蛋白復(fù)合體后才能行使其吸收與傳遞光能以及參與光化學(xué)反應(yīng)的功能。CP24是PSⅡ捕光天線中的一種外周捕光天線蛋白,在傳遞光能、維持PSII及類囊體膜結(jié)構(gòu)、耗散過量激發(fā)能方面起著重要作用[28]。賈兵等[6]認(rèn)為,增強(qiáng)碭山酥梨黃化葉片中葉綠素a/b結(jié)合蛋白編碼基因Chl"a-b"P4/CP24/29.1的表達(dá)量可提升類囊體膜中電子及質(zhì)子的轉(zhuǎn)移能力。KOVáCS等[29]證實(shí),CP24蛋白與ROS的清除有關(guān),在敲除其編碼基因的擬南芥植株中ROS的積累明顯較野生型更高。本研究中,編碼CP24的CAP10A在澳洲堅(jiān)果葉片黃化期間顯著下調(diào)表達(dá),可能是由于澳洲堅(jiān)果黃化葉片中ROS過量累積所引起的CP24蛋白降解所致,進(jìn)而影響光能的吸收與傳遞。另外,PSBP和PSBR也在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),意味著PSⅡ復(fù)合體的結(jié)構(gòu)完整性和驅(qū)動(dòng)電子傳遞反應(yīng)功能可能遭到破壞[30]。
3.2""葉綠體ATP合成
碳同化是葉綠體利用光反應(yīng)中形成的同化力(ATP和NADPH)將CO2轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定碳水化合物的過程。其中,ATP是由ATPase催化光合磷酸化反應(yīng)而產(chǎn)生。高溫下編碼葉綠體ATPase中CF1蛋白α亞基的ATPA和γ亞基的ATPC1在白楊葉片中顯著上調(diào)表達(dá),促進(jìn)ATP的合成以用于PSⅡ修復(fù)[31],但在遭受熱脅迫的黃瓜葉片中ATPA明顯下調(diào)表達(dá)[18]。本研究中,ATPC和編碼CF0蛋白a亞基的ATPF均在HAES344澳洲堅(jiān)果黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),表明ATPase的CF1及CF0蛋白含量明顯減少,可能使得CF0與CF1的結(jié)合更松散,導(dǎo)致CF1脫離CF0,進(jìn)而造成ATPase喪失ATP合成功能而表現(xiàn)出ATP酶水解ATP的活性[30]。因此,ATPA在黃化葉片中表現(xiàn)為顯著上調(diào)表達(dá),說明ATPase水解ATP的能力增強(qiáng),可能是通過釋放能量來提高黃化葉片應(yīng)對(duì)ROS過量積累的一種防衛(wèi)反應(yīng)[32]。
3.3""環(huán)式電子傳遞
電子傳遞鏈?zhǔn)枪夂献饔眯纬赏Φ暮诵沫h(huán)節(jié)。在高等植物的葉綠體中,NADPH是在光合線性電子傳遞的最后一步反應(yīng)中通過LFNR催化還原NADP+而成。楊超等[33]認(rèn)為,位于葉綠體內(nèi)膜上的易位子TIC參與了將LFNR前體蛋白從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中轉(zhuǎn)運(yùn)至葉綠體的定位過程。TIC32屬于TIC復(fù)合體的亞基,介導(dǎo)了質(zhì)體蛋白這一轉(zhuǎn)運(yùn)過程[34]。本研究發(fā)現(xiàn),TIC32在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),意味著LFNR的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)可能發(fā)生減弱,進(jìn)而限制了線性電子傳遞,降低了葉綠體基質(zhì)中NADPH的生成能力。環(huán)式電子傳遞是葉綠體中ATP合成的一個(gè)重要替代路徑,存在PGRL1/PGR5介導(dǎo)途徑與NAD(P)H脫氫酶(NDH)復(fù)合體介導(dǎo)途徑,對(duì)植物正常生長發(fā)育和抵御逆境具有重要作用[35]。DALCORSO等[36]認(rèn)為,PGRL1/PGR5復(fù)合體可作為質(zhì)子梯度調(diào)節(jié)蛋白參與高溫條件下線性電子流到環(huán)式電子流的轉(zhuǎn)換,對(duì)誘導(dǎo)熱耗散和保護(hù)PSⅡ免遭光抑制是必需的。NDH介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞能夠緩解葉綠體基質(zhì)過度還原,維持電子傳遞鏈氧化還原系統(tǒng)的平衡,驅(qū)動(dòng)ATP合成[35]。敲除編碼NDH基因的煙草對(duì)高溫脅迫敏感[37]。本研究中,PGR5、ndhB和ndhD在黃化葉片中顯著上調(diào)表達(dá),意味著黃化葉片能通過增強(qiáng)環(huán)式電子流來生成ATP和耗散過剩熱量,用以修復(fù)或減輕氧化脅迫對(duì)光系統(tǒng)造成的損傷。然而,ndhK和ndhB2在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),說明黃化葉片中構(gòu)成NDH復(fù)合體的亞基含量明顯減少,暗示了整個(gè)NDH復(fù)合體的穩(wěn)定性可能受到影響[35]。
3.4""葉綠體氧化還原狀態(tài)
硫氧還蛋白(Trx)是一類小分子蛋白,不僅直接參與ROS的清除,還能通過改變其氧化還原狀態(tài)來調(diào)節(jié)光合電子傳遞速率[22]。KANG等[23]認(rèn)為,在Trx系統(tǒng)中,氧化態(tài)的Trx和Trx類蛋白可被NTR還原,用以維持葉綠體的氧化還原平衡。本研究表明,編碼Trx的Trx1和Os05g0200100以及編碼Trx類蛋白的CXXS1均在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),意味著Trx的功能可能受到抑制,導(dǎo)致黃化葉片細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)失衡,進(jìn)而影響了光合電子傳遞;然而,NTR2顯著上調(diào)表達(dá),表明黃化葉片可能發(fā)生了氧化應(yīng)激,通過將Trx從氧化態(tài)轉(zhuǎn)化為還原態(tài),提高其清除ROS的能力,以緩解氧化脅迫。硫代謝在植物體的生長發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用,SIR和APR可充當(dāng)電子供體來還原Trx[38]。在黃化葉片中,SIR和APR3的相對(duì)表達(dá)量顯著增加,說明更多的Trx可能得到還原,用以維持光合電子傳遞和抵抗氧化脅迫。
3.5""碳同化能力
在光合碳同化過程中,Rubisco是最重要的限速酶,但Rubisco活性受到RCA的調(diào)控[4]。紫花苜蓿葉片中編碼Rubisco大亞基的rbcL在干熱脅迫下呈現(xiàn)出先顯著增加、后持續(xù)降低的表達(dá)變化趨勢(shì)[9],干旱脅迫下rbcL的下調(diào)表達(dá)導(dǎo)致冬油菜葉片光合作用的下降[8]。PERDOMO等[5]認(rèn)為,高溫脅迫下葉片中Rubisco活性的降低是因?yàn)镽CA活性受到高溫抑制而造成活化的Rubisco數(shù)量減少所致。本研究發(fā)現(xiàn),rbcL在重度黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),表明Rubisco的大亞基發(fā)生了降解,可能是黃化葉片中ROS引起的酶促或非酶促裂解所致[7]。然而,RCA的表達(dá)在葉片黃化過程中未發(fā)生顯著性變化,意味著RCA可能發(fā)生了熱聚合,使得RCA從可溶性組分向不溶性組分轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致RCA含量變化不明顯[39]。另外,卡爾文循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率與GAPDH、FBA、RPI等酶的活性水平關(guān)系密切[10-12]。GAPDH是催化光合最初產(chǎn)物1,3-二磷酸甘油酸還原為3-磷酸甘油醛的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶,其活性的高低會(huì)影響光合速率及光合產(chǎn)物的積累。葉綠體GAPDH上調(diào)表達(dá)及其編碼的酶活性提高,有利于增強(qiáng)光合代謝在逆境下的抗性[13]。本研究結(jié)果表明,編碼GAPDH的GAPA和GPD在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),說明黃化葉片的光合能力下降,也意味著GAPDH的活性變化可能與葉綠體所遭受的氧化還原失衡有關(guān)[23]。FBA所催化的反應(yīng)位于RuBP再生階段,在很大程度上控制碳的固定和流量。本研究中,編碼FBA的At4g2652也在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),意味著RuBP的再生能力減弱,與HAAKE等[11]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯葉中因FBA表達(dá)減弱而引起光合作用顯著降低的結(jié)果較一致。然而,編碼核糖-"5-磷酸異構(gòu)酶的RPI2在重度葉片黃化中顯著上調(diào)表達(dá),可能是黃化葉片對(duì)高溫環(huán)境的應(yīng)激響應(yīng)所致。
本研究基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析,確定了43個(gè)光合能量代謝相關(guān)基因在HAES344澳洲堅(jiān)果夏梢葉片自然黃化過程的表達(dá)模式;通過qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn),CAP10A、ATPC、ATPF、GAPA、GPD、At4g2652與rbcL等基因在黃化葉片中顯著下調(diào)表達(dá),可能導(dǎo)致了PSⅡ捕獲天線蛋白降解、葉綠體ATP合成功能減弱和碳同化能力下降,而PGR5、ndhB、ndhD、NTR2、SIR和APR3等基因顯著上調(diào)表達(dá)以及TIC32、Os05g0200100、CXXS1等基因顯著下調(diào)表達(dá),可能造成葉綠體內(nèi)氧化還原狀態(tài)失衡,并激發(fā)環(huán)式電子流,用以減輕氧化脅迫對(duì)光合能量機(jī)構(gòu)的損傷。本研究為深入探討澳洲堅(jiān)果葉片黃化機(jī)制提供參考依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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