陳鑄峰，田利金

中國科學院植物研究所 光生物學重點實驗室，北京 100093

光合作用是地球上最重要的光生物化學反應，是作物產量與生物質形成的物質基礎。在全球糧食需求日益增加、耕地面積不增反降的背景下，提高作物單產的任務愈加緊迫。傳統(tǒng)的作物產量提升以栽培改良和作物耐逆-抗病性狀改良為主，隨著這方面改良潛力的充分發(fā)掘，作物產量提升的趨勢已經放緩。相比之下，植物光合作用效率還有極大的提升空間，在作物增產方面的潛力有待釋放。在未來，高光效改良有望成為作物育種的關鍵方向之一。

植物生長離不開光，但自然界中的光環(huán)境極為惡劣，光強和光質都時刻發(fā)生著劇烈的變化。“物競天擇，適者生存”，植物為應對復雜的光環(huán)境演化了多種光合作用調控機制，這保障了植物的生存和繁衍，孕育了五彩繽紛、生機勃勃的地球。然而，適者生存卻非強者生存，自然界的演化以最佳的生存和繁衍為目標，而非人類所追求的最大生物量。自然的光合調控最大限度地保護植物免受強光和波動光損傷，卻犧牲了相當?shù)墓饽苻D化效率，伴隨著大量的能量損失。換言之，自然界中的植物以“低能效”換取“低損耗”。隨著現(xiàn)代學科交叉融合，多組學、分子育種及合成生物學技術的發(fā)展，以高效節(jié)能為目標改造乃至創(chuàng)制光能轉化調控機制成為可能，理論和初期的實驗均支持人為干預的新型植物光合調控機制將大幅提升光合效率并優(yōu)化生物固碳效率。這方面的研究將為保障國家糧食安全、發(fā)展高效生物固碳技術提供重要的理論指導。

大多數(shù)作物利用太陽光能的效率在1%左右，而理論計算表明此效率具有非常大的提升空間，可以高于5%[1]。目前國際上已有不少聚焦于光合效率提升的科研進展，最近的進展可見相關綜述[2]。提高光合作用效率的技術路線主要基于光反應和碳反應兩方面：一方面是光合捕光、傳能、轉能以及電子傳遞鏈傳遞效率的優(yōu)化；另一方面是光合固碳反應的優(yōu)化，包括提高核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase, RuBisCO)羧化活性、降低光呼吸等。本文將聚焦高等植物光合作用光反應，從捕光和電子傳遞兩個方面介紹光合作用的動態(tài)調控機制，以期為優(yōu)化光反應調控提供新思路。

植物光合作用光反應的發(fā)生場所位于葉綠體中的類囊體膜(圖1)，多數(shù)光反應調控機制也發(fā)生于此。光合作用的光反應包含原初反應、光合電子傳遞和光合磷酸化(圖2)。光合原初反應指光系統(tǒng)II(photosystem II, PS)和光系統(tǒng)I(photosystem I, PSI)進行捕光并完成電荷分離，實現(xiàn)從光到電的轉換。光合電子傳遞指電子在PSII和PSI的分級驅動下，通過電子傳遞鏈傳遞到鐵氧還蛋白-NADP+還原酶，生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，即還原型輔酶Ⅱ(NADPH)。伴隨著電子傳遞，細胞色素通過Q循環(huán)將質子泵入類囊體囊腔側，加上PSII在囊腔側氧化水釋放出的質子，形成跨膜質子梯度，驅動ATP合酶生成ATP，即光合磷酸化。光反應的每一個具體過程均伴隨著相應的調控機制，以確保精密的光合機器高效運轉。

圖1 高等植物光合作用場所概覽。蛋白圖像參考已有的結構數(shù)據(jù)(PDB: 5L8R, 5MDX)

圖2 光合調控途徑概覽。注意圖中蛋白之間的距離、數(shù)量比例不代表真實情況。ADP (adenosine diphosphate)，二磷酸腺苷；ATP (adenosine triphosphate)，三磷酸腺苷；NADP+/NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(氧化/還原態(tài))。蛋白和電子載體輔基圖像參考已有的結構數(shù)據(jù)(PDB: 3wu2, 5L8R, 5MDX, 6FKF, 6RQF)

1 原初反應及其調控

原初反應包含捕光和電荷分離兩個過程，發(fā)生場所為光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II。光系統(tǒng)由光合天線和光反應中心組成，其中天線吸收光子，將光能傳遞到反應中心，后者是電荷分離的場所?！肮夂咸炀€+反應中心”的結構設計是植物適應太陽光的結果。對于光合作用而言，太陽光是相對稀疏的能量來源。粗略估算，即使在1 800 μE·m-2·s-1的充分陽光光照下，葉片中每個葉綠素每秒也只能獲得約10個光子[3]，而相較之下，清晨等時段的陽光低至10 μE·m-2·s-1。為了氧化一個水分子，光系統(tǒng)必須在較短時間內吸收9～10個光子。借助捕光天線增加反應中心的吸收截面積，可以確保光系統(tǒng)捕光的速率即使在陽光較弱時也足以驅動光反應(圖3)。然而，捕光天線也給植物帶來了額外的風險。正午的太陽光可以上百倍地強于清晨或黃昏時的光照，產生的光合激子如果不能及時用于光合反應，則會造成蛋白的光損傷，嚴重時會導致植物直接死亡。圍繞著對大跨度光強變化的適應和光損傷的規(guī)避，植物在捕光和電荷分離層面具有多重調控機制。

圖3 光合捕光調控示意圖。注意圖中捕光復合物之間的距離不代表真實情況。LHCII (light-harvesting complex Ⅱ)，捕光復合物II；PSI/II (photosystem I/Ⅱ)，光系統(tǒng)I/II。蛋白圖像參考已有的結構數(shù)據(jù)(PDB: 5L8R, 5MDX)

1.1 捕光調控

如上所述，由于太陽光強的變化跨度較大，植物一方面需要盡快收集充足的光子來氧化水分子，另一方面還需要避免強光導致的光損傷。當光強過強時，被激發(fā)的葉綠素弛豫到三重態(tài)，與三線態(tài)氧分子相互作用的概率大大增強，生成的單線態(tài)氧會造成光合蛋白，特別是光系統(tǒng)II蛋白的損傷[4]。捕光過程調控通過及時地將過剩的光合激子轉化為無害的熱能的方式實現(xiàn)光保護功能。在表現(xiàn)上，這一過程往往伴隨著葉綠素熒光的猝滅，直接表明在這些過程中是某種猝滅分子(quencher)與光化學猝滅(光合電荷分離)競爭，因此被統(tǒng)稱為非光化學猝滅(nonphotochemical quenching, NPQ)。各種組分也分別被冠以“猝滅”之名(q)，像能量猝滅qE、狀態(tài)轉換猝滅qT、qH以及光抑制qI等。高等植物的非光化學保護一直是光合作用研究領域的熱點之一。

1.1.1 能量猝滅(qE)

在高等植物中，q E 是指由光保護蛋白(PsbS)和紫黃素(violaxanthin, Vio)脫環(huán)氧作用(violaxanthin de-epoxidation, VDE)誘導的快速響應能量猝滅過程，是NPQ的主要成分，因而也被模糊地稱為NPQ。qE一般發(fā)生在高光照射10 min之內，其中PsbS主導的過程在1～2 min之內，占qE的絕大部分。此外，較慢的能量猝滅過程取決于另一個關鍵因子玉米黃質(zeaxanthin)的參與，即qZ，一般發(fā)生在高光照射qE之后的10 min內。關于qE，早在20世紀60年代就觀測到了[5]，后來經大量研究逐步證明了其光保護的生理功能[6]。90年代，研究人員發(fā)現(xiàn)玉米黃質參與NPQ[7]，2000年參與qE的關鍵因子PsbS蛋白也被成功克隆[8]，當時誤認為PsbS蛋白是類似于LHC的色素結合蛋白，但后來的結構證明PsbS并不結合色素[9]。目前除鑒定了直接參與NPQ的兩個重要因子PsbS蛋白和玉米黃質之外，還明確了NPQ的觸發(fā)信號來自強光下類囊體的酸化。在酸性條件下PsbS蛋白發(fā)生質子化，進而觸發(fā)光保護，玉米黃質以未知的形式參與其中。

盡管NPQ相關研究開展多年，qE在生物活體中是如何實現(xiàn)的還沒有一致的看法，仍然存在若干重要的問題。

(1)PsbS蛋白如何觸發(fā)猝滅？玉米黃質以何種角色參與？PsbS蛋白本身不含有色素，因此它不太可能是一個猝滅分子。目前大家較為接受的觀點是，PsbS像是一個“酶”分子，促進PSII天線蛋白的構象變化從而引起激子的猝滅，該過程或許伴隨著LHCII蛋白的聚集，而玉米黃質起到黏合劑的作用，進一步增進猝滅的幅度。

(2)PsbS的結合位點是什么？NPQ發(fā)生的具體位點在哪里？目前有觀點認為非光化學猝滅的位點位于捕光天線復合物II (LHCII)，但也有人認為小天線或者反應中心天線是NPQ的作用位點，同時有人發(fā)現(xiàn)PSI可能也受到PsbS的保護等，似乎人們對該問題的認知還停留在原點。這個疑團可能還需要等待PsbS和PSII高分辨率的結構解析出來才能徹底解開。

(3)qE發(fā)生的分子物理猝滅機制是什么？關于qE發(fā)生的機制，迄今為止，人們對高等植物NPQ機制尚未形成統(tǒng)一的認識。目前主要存在4個能量猝滅模型：①葉綠素和玉米黃質間的電荷分離模型；②葉綠素和葉黃素間的能量傳遞模型；③葉綠素和玉米黃質激子耦合模型；④葉綠素和葉綠素間的電荷分離模型。造成這種學術爭論的主因在于生物樣品的制備與光譜技術交叉融合不夠：首先，截至目前國際上還沒有研究組能夠分離具備NPQ功能的PSII-PsbS的大型蛋白復合體，因此樣品采用更為復雜的葉綠體抑或LHCII人工聚合物體系；其次，當時的超快光譜技術靈敏度不足，需要的激光單脈沖能量密度很高，帶來的非線性光學現(xiàn)象(如單重激發(fā)態(tài)-單重激發(fā)態(tài)三重激發(fā)態(tài)間湮滅)導致的信號嚴重扭曲和失真。隨著生化技術的進步，儀器性能的提高，科學家有望近期攻克植物NPQ發(fā)生的分子物理機制這一難題。

雖然qE的分子機制尚未得到完整解析，但改良光保護以提高作物產量的潛在可能性受到了廣泛關注。在特定條件下，加快光保護的響應速率，減少熱耗散對光化學的競爭，被認為有可能提高植物的光能利用率。2016年，美國伊利諾斯大學S. Long院士研究組通過優(yōu)化光保護機制，成功提高大田中煙草、大豆的生物質產量14%～20%[10-11]。然而，這一結論在擬南芥、番茄以及匍匐翦股穎等體系受到了部分學者的質疑[12-13]。此外，也有觀點指出光保護“拖累”光合效率的程度可能被高估了，因為由LHCII介導的熱耗散會特異性猝滅關閉的反應中心，而不影響正常的開放反應中心[14]，從而得出光保護原本就是“經濟的”(economic photoprotection)。

1.1.2 狀態(tài)轉換(qT)

自然光環(huán)境中除了強度的變化，光質也時刻發(fā)生變化。光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II對不同顏色光的吸收截面不同，前者可以吸收能量較低的光子，因此光質的變化對兩個系統(tǒng)的選擇性激發(fā)也不同。在高等植物中，狀態(tài)轉換是通過改變捕光天線LHCII與兩個光系統(tǒng)的結合程度來實現(xiàn)的，表現(xiàn)為PSII和PSI激發(fā)比例的相對改變，被認為是捕光系統(tǒng)對光質變化的適應途徑。當光質有利于激發(fā)PSI時，LHCII更多地與PSII結合，稱為狀態(tài)I；相應地，有利于PSII的光環(huán)境則促使狀態(tài)II的形成，LHCII結合到PSI上。狀態(tài)轉換的首次報道是在1969年，分別在紫球藻和小球藻中被發(fā)現(xiàn)[15-16]。之所以在藻類中率先報道，是因為部分藻類的狀態(tài)轉換對應的葉綠素熒光表型非常明顯，而在高等植物中，狀態(tài)轉換表型變化較小。

調控光合qT機制的分子元件包括STN7激酶和TAP38(也稱PPH1)去磷酸化酶。人們首先發(fā)現(xiàn)的是STN7在衣藻中的同源蛋白STT7[17]，兩年后克隆到STN7[18]和STN8[19]，前者在質體醌(plastoquinone, PQ)池氧化還原態(tài)的控制下通過磷酸化天線蛋白參與狀態(tài)轉換，后者主要磷酸化PSII核蛋白，有可能參與PSII的修復過程[20]。TAP38負責LHCII的去磷酸化過程，推動植物從狀態(tài)II到狀態(tài)I的恢復過程[21]。

類似于qE，實現(xiàn)qT的分子物理機制也不是很清晰。雖然相關激酶已經被克隆，但是其啟動與作用機制目前還沒有得到合理的解釋。除了觸發(fā)機制，能量的分配機制也存在疑惑。已知LHCII會在PSI和PSII間移動，PSI-LHCII復合物的結構已經被解析，但是形成PSI-LHCII超級復合物是否是狀態(tài)轉換的充分必要條件，目前還沒有定論。也有報道稱在擬南芥以及松樹的類囊體膜中存在大量(含有超過一半的PSII)的PSI-PSII超級復合物[22]，熒光動力學分析表明確實存在PSII到PSI的能量溢出(spillover)[23]，這向傳統(tǒng)的觀點，即高等植物中PSII和PSI分處不同區(qū)域從而兩者間發(fā)生直接能量傳遞的可能性小，提出挑戰(zhàn)。果真如此的話，基于LHCII轉移的狀態(tài)轉換模型需要重新審視。從能量分配的角度來看qT，大部分文獻報道中將qT歸為非光化學猝滅NPQ的一種，但是qT是否是光合激子的激發(fā)態(tài)猝滅目前仍然沒有定論。如果qT過程是植物在光質變化的時候通過快速地調控PSI/PSII有效天線吸收截面來實現(xiàn)的，那么這中間并不涉及能量的非光化學猝滅過程，因此不應該被歸為NPQ。但是2016年荷蘭瓦格寧根大學學者發(fā)現(xiàn)qT的不同機制，他們發(fā)現(xiàn)部分LHCII脫離PSII復合物后沒有結合到PSI蛋白復合物，而是自身形成猝滅體，這種情況下，qT確實應該屬于一種NPQ類型[24]。

1.1.3 光抑制(qI)

光抑制泛指光保護中弛豫時間更長的組分，時間尺度從數(shù)小時到數(shù)天。有關光抑制的最早報道在1956年，但是相比qE和qT，qI機制是目前了解最為匱乏的。由于反應中心存在各種各樣降低光合量子效率的因素，光抑制涉及的分子機制更為復雜，光抑制、光損傷以及慢的光保護三者間缺乏明確的界限。例如，Ruban[25]就指出在一般環(huán)境下大部分光抑制可歸于光保護的慢弛豫組分。目前光抑制仍缺乏確切的定義，一般粗略地代表短時間內可修復的PSII光損傷。光抑制從誘因上可以簡單劃分為兩種：一種是由藍光-紫外光引起的放氧復合體(oxygen-evolving complex,OEC)的破壞，導致PSII電子供體側出現(xiàn)損傷，它的發(fā)生與光反應沒有直接關系，高能光子的直接破壞對象是OEC復合體[26]；另一種是由強光引起的，與PSII光反應-電荷分離有直接的關系，是由活性氧分子ROS介導的D1蛋白的損傷[27]。強光如何引起光系統(tǒng)II的光損傷，以及降解因子、修復因子和修復過程的PSII組裝仍是領域內的熱門研究方向，但由于缺乏定論，故不在此詳述。

關于光抑制，一個長期令人費解的問題是為什么處于光抑制狀態(tài)下的PSII的熒光不升反降。一般情況下如果反應中心被損傷、降解，殘留的天線蛋白由于缺少光化學猝滅，熒光應該顯著上升，但是事實是熒光在下降。這種下降不是因為葉綠素總量的減少，而是來自葉綠素熒光的猝滅，并伴隨著熒光壽命的降低。有學者指出猝滅的位點為氧化態(tài)PSII[28]，但是這種觀點還需要進一步驗證。另外，有學者提出qI在PSII破壞修復的過程中起到非常好的光保護作用，顯著降低了ROS的生成[29]。

捕光過程中的光調控，如qE、qT、qI等，組成了光合生物適應光環(huán)境的第一道防線，具有重要的生理意義，相關研究尤其是圍繞qI機制的研究還有待加強。PSII的光損傷直接關系到作物的耐逆性和產量。近期，我國學者通過遺傳工程手段在擬南芥、煙草和水稻中創(chuàng)建了一條由高溫響應啟動子驅動的細胞核表達的D1蛋白合成途徑，與天然的葉綠體合成途徑一起形成D1蛋白合成的“雙途徑”機制，顯著增強了植物的高溫抗性、光合效率以及生物量和產量[30]。

1.2 電荷分離調控

電荷分離方面的調控泛指圍繞光反應中心進行的與電荷分離和重組相關的調控，并非特指對原初反應電荷分離對的調控。圖4展示了光系統(tǒng)II/I反應中心的結構和組成。

圖4 光系統(tǒng)II(a)和光系統(tǒng)I(b)原初反應示意圖。A0A、A0B，PSI初級電子受體(兩對特殊葉綠素a(Chla)分子)；A1，一對葉綠醌(維生素K)分子；Car (β-carotene)，β-胡蘿卜素；Cyt b559 (Cytochrome b559)，細胞色素b559；FX、FA、FB，PSI結合的鐵硫簇；Mn4CaO5，放氧復合物錳-鈣-氧核心；Pheo (pheophytin)，脫鎂葉綠素，其中PheoD1是光系統(tǒng)II的初級電子受體；P680，光系統(tǒng)II初級電子供體(包括4個葉綠素a (Chla)分子PD1、PD2、ChlD1和ChlD2)；QA和QB，初級和次級質體醌(plastoquinone)電子受體；YZ/ YD，氧化還原活性酪氨酸殘基Z/D。分子圖像參考已有的蛋白結構數(shù)據(jù)(PDB: 3wu2, 5L8R)

由于電荷分離提供電子傳遞的驅動力，是電子傳遞鏈的有機組成部分，相關的調控機制和前面所述qI的機制以及下文將要論述的電子傳遞調控密不可分，部分是重疊的。本文單獨列出電荷分離調控：一是凸顯其重要性；二是反應中心發(fā)生電荷分離的過程中的確存在若干直接的調控機制，與qI以及電子傳遞并無直接關聯(lián)，像細胞色素b559(cytb559)和非血紅素鐵酶(non-heme iron enzyme)介導的電荷重組調控，以及P680+和P700+的能量猝滅作用等，值得特別關注。

1.2.1 電荷重組調控

光合反應中心進行電荷分離后產生的正負離子會不可避免地發(fā)生一定程度的電荷重組，起到能量湮滅的作用，顯著降低了光合激子的能量利用效率。自然界通過質子-電子耦合的方式以及各種氧化還原電位的調控，已經有效地抑制了電荷復合現(xiàn)象。其中細胞色素b559是一種重要的氧化還原活性蛋白，因其還原態(tài)的吸收主峰在559 nm而得名，是光系統(tǒng)II的關鍵組成部分。它的存在形式是異二聚體，含有一個血紅素，目前其具體生理功能還不是特別明確。由于它距離反應中心色素、初級質體醌電子受體(QA)以及OEC較遠，不太可能直接參與原初電荷分離過程，但有證據(jù)表明它有可能參與PSII免受光損傷的二次傳輸途徑，即PSII環(huán)式電子傳遞(圖4)，提供一個從PQH2到P680+的電荷重組支路，有望起到光保護作用[31]。此外，細胞色素b559的生理功能更多地體現(xiàn)在其對氧氣以及ROS相關的生化反應。

此外，位于PSII結構中QA和QB之間的非血紅素亞鐵酶也參與PSII電荷重組的調控，非血紅素亞鐵酶可以與碳酸氫根離子和氧氣分子結合[32-34]。無論結合O2還是碳酸氫根離子，QA-到QB的電子傳遞都是受阻的。還原態(tài)的QA-分子會推動碳酸氫根與非血紅素亞鐵酶脫離，使QA還原電勢升高從而促進電荷重組，降低PSII受體側ROS的生產，從而起到保護作用。當有O2分子存在的時候，碳酸氫根脫離后，O2分子會結合Fe2+，氧化QA-分子，生成超氧化物一方面參與信號傳導，另一方面破壞蛋白引起光損傷(圖4)。這一方面的研究目前還在快速的發(fā)展中，相關結論還需要進一步驗證。

1.2.2 ChlZ+、P680+和P700+等葉綠素陽離子的熒光猝滅功能

光反應中心在電荷分離過程中形成的葉綠素陽離子ChlZ+、P680+(PSII)和P700+(PSI)是天然的熒光猝滅分子，這是由它們的物理分子特性決定的[35-37]。處于氧化態(tài)的ChlZ+是一個強有力的熒光猝滅分子，據(jù)報道15%的ChlZ+就可以導致PSII葉綠素熒光70%以上的猝滅[37]，這在PSII電子供體側受限的時候可以起到很好的保護作用。同時，P680+作為迄今發(fā)現(xiàn)的最強的生物氧化劑，足以氧化水分子[38]，其本身也是非常出色的熒光猝滅分子[39]，乃至有早期研究誤以為P680+陽離子就是qE的猝滅分子[40]。P700+對PSI的熒光猝滅作用是研究相對較多的，P700+的熒光猝滅效果也最為明顯。不同光系統(tǒng)內葉綠素陽離子能量猝滅程度出現(xiàn)較大差異，而造成這種差異的結構基礎與物理機制目前還不是特別清晰。P700+通過能量猝滅基本維持了PSI光化學猝滅所能達到的熒光衰減壽命，這也是PSI不會像PSII一樣在不同氧化還原態(tài)之間出現(xiàn)巨大熒光產率變化的原因[41]。正是由于P700+強的能量猝滅作用，PSI復合物高度穩(wěn)定，在植物活體體系中正常生長條件下幾乎不出現(xiàn)光損傷[42]。

2 光合電子傳遞鏈的調控

光合電子傳遞鏈是指多個電子供體和受體在兩個光系統(tǒng)的光驅動下運行的電子傳遞通道(圖5)，最早由希爾提出，形似“Z”字形，后來按照氧化還原電位排列，呈現(xiàn)側寫的“Z”字[43]。

圖5 光合電子調控示意圖。注意圖中蛋白之間的距離、數(shù)量比例不代表真實情況。ADP (adenosine diphosphate)，二磷酸腺苷；ATP (adenosine triphosphate)，三磷酸腺苷；NADP+/NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(氧化/還原態(tài))。蛋白圖像參考已有的結構數(shù)據(jù)(PDB: 1SM4, 2GIM, 3wu2, 5L8R, 6FKF, 6RQF)

2.1 線式電子傳遞鏈及其調控

光合膜上三大復合物PSII、Cytb6f、PSI串聯(lián)組成線式電子傳遞鏈(linear electron flow,L E F)的框架，沿著電子鏈，電子從最初的供體水分子傳遞到最終的N A D P H 分子：H2O→PSII→PQ→Cytb6f→Pc→PSI→NADP+。在正常生長條件下， LEF電子流占據(jù)主導地位。LEF的調控與類囊體的酸化以及質體醌PQ庫的氧化還原態(tài)息息相關。當類囊體發(fā)生過度酸化的時候，OEC可能會發(fā)生降解，類似于前文中的qI，使PSII不再氧化水提供電子，同時酸化還會觸發(fā)Cytb6f的調控作用。Cytb6f 是當之無愧的電子調控中樞，是電子鏈反饋調控的核心，其Q循環(huán)有兩個關鍵反應，其中Q0側PQH2的氧化受到pH的嚴格調控[44]。當pH過低時，PQH2受鐵硫簇氧化的速率會顯著變慢，從而降低質體藍素向PSI的電子傳遞。另外，一個很重要的調控作用就是上文所述的qE，它與OEC受損(qI的一部分)一起從源頭上控制電子的注入。

2.2 環(huán)式電子傳遞及其調控

PSI環(huán)式電子傳遞(cyclic electron transport around photosystem I, CEF-I)指PSI下游的電子通過特定通路重新回到PSI上游，在此期間電子的氧化還原電位降低，能量轉化為跨膜質子動力勢(proton motive force, pmf)。環(huán)式電子傳遞在不產生額外還原力的情況下產出ATP，提高了ATP/NADPH的比例。擬南芥體系CEF缺陷株生長嚴重受限，充分體現(xiàn)了CEF對植物適應光環(huán)境具有重要作用[45]。已發(fā)現(xiàn)高等植物中有兩種CEF-I途徑[46]，分別由PGR5 (proton gradient regulation 5)和NDH (nucleotide dehydrogenase)復合物介導。這兩條電子途徑的功能分化目前還不是很清楚。

PGR5為基質可溶性蛋白，最初在篩選擬南芥qE缺陷突變體時被發(fā)現(xiàn)[47]，不久后發(fā)現(xiàn)了PGR5的類囊體膜定位分子伴侶PGRL1 (PGR5-like)[48]。NDH復合物與線粒體呼吸復合物I高度同源，最早在藍藻中被報道[49]。高等植物也具有NDH復合物，被命名為NDH-1。雖然PGR5/PGRL1和NDH途徑都參與CEF-I，但兩者的表型有明顯的區(qū)別，是兩條獨立的途徑。PGR5/PGRL1途徑被抗霉素A (一種線粒體復合物III抑制劑)專一性抑制[50]，為兩種途徑的區(qū)別研究提供了便利。已知PGR5/PGRL1途徑在植物光-暗轉換、波動光適應中有重要作用，其主要功能之一可能是緩解PSI上下游壓力，而NDH途徑似乎不參與短期光適應。在C4植物中，NDH-1細胞特異性上調，是C4途徑所需的額外ATP的主要來源[51]，這可能預示著NDH途徑在穩(wěn)態(tài)光合中的重要性。此外，NDH-1將電子回流至PQ庫，同時將質子泵入囊腔側[52]，而PGRL1可能無法驅動質子跨膜，其是否直接調節(jié)PQ庫也仍為未知。

關于CEF-I最早的實驗證據(jù)來自分離葉綠體中由鐵氧還蛋白(Fd)介導的光依賴性ATP合成[53]。研究人員根據(jù)此現(xiàn)象提出類囊體膜中存在一種Fd-PQ氧化還原酶(FQR)[54]，該酶將電子從PSI受體側重新注入電子傳遞鏈。如今PGR5/PGRL1和NDH復合物的發(fā)現(xiàn)為指認FQR的真實身份提供了方向。一方面高等植物的NDH-1可能與最初命名時的假設不同，以Fd而非NADPH為電子供體，另一方面PGRL1被報道在體外具有FQR活性，但其體內活性仍有爭議。隨著細胞色素b6f復合物結構的解析，在該復合物中也發(fā)現(xiàn)了可能行使FQR活性的潛在催化位點[55]。隨著更多PSI上下游電子路徑的解析，CEF-I所涵蓋的調控機制或許將遠遠超過最初FQR酶的概念。

2.3 (類)水-水循環(huán)反應

PSII裂解水產生的電子可以在電子傳遞鏈上經過各種氧化酶傳遞至O2并重新產生水，這形成了多種水-水循環(huán)(或偽環(huán)式電子傳遞)[56]。由于O2的直接還原往往伴隨著活性氧的產生，所以維持水-水循環(huán)需要消耗抗壞血酸等抗氧化分子，潛在的能量代價很高。另一方面，活性氧是重要的葉綠體信號分子，所以水-水循環(huán)在光合調控中可能具有特殊信號的功能。

質體末端過氧化物酶(plastid terminal oxidase, PTOX)是由immutans基因編碼的，PTOX缺失后的植株出現(xiàn)明顯的斑葉表型。PTOX將PQ庫中的電子轉移至O2而形成水-水循環(huán)，同時控制PQ庫的氧化還原態(tài)[57]。PTOX直接從PSII受體側移出電子的特性使人推測其具有在高光下緩解PSII激發(fā)壓力的安全閥的功能[58]。不過這一觀點受到了挑戰(zhàn)，有研究指出在菠菜中PTOX與PSII蛋白的比例僅為1/100[59]，在番茄、擬南芥中電子傳遞率在1 e·s-1·PSII-1以下，其作用微乎其微[60]。PTOX行使氧化功能的同時也參與類胡蘿卜素合成通路，PTOX突變體的斑葉表型與此功能有關[61]。

梅勒反應源于1951年Mehler觀察到的分離豌豆類囊體在光下將O2還原為過氧化氫(H2O2)的現(xiàn)象[62]。之后日本學者證明電子來源于PSI，其中的鐵氧還蛋白將O2還原成超氧陰離子[63]，后者再被超氧化物歧化酶還原成H2O2，最終H2O2被基質中的抗壞血酸過氧化物酶清除[64]，形成水-水循環(huán)。最近的研究指出鐵氧還蛋白可能不是還原氧氣的唯一位點，在衣藻中對PSI各電子載體的突變研究表明FAFB、PhQA-也參與了電子溢出[65]。有跡象表明梅勒反應在高等植物的穩(wěn)態(tài)光合電子傳遞中占有相當?shù)谋壤?～10%)，可能在高光下緩解了PSI受體側壓力，但此觀點仍缺乏決定性的證據(jù)。梅勒反應的生理意義有待進一步鑒定，不排除它僅僅是PSI受體側在有氧環(huán)境下不可避免的副反應。

3 總結與展望

全面深刻地認識光合作用光反應調控需要多學科的交叉，從光譜物理、光催化化學到分子生理、基因編輯等缺一不可。隨著相關研究的多年積累，光合調控的基本框架已經建立，人們已經認識到了自然界巧奪天工的設計。它環(huán)環(huán)相扣展現(xiàn)出縝密性，形式多樣體現(xiàn)出靈活性，同時就地取材極具經濟性。自然界用簡單的材料和巧妙的設計解決了植物適應光環(huán)境變化的難題。如上文所述，我們的認知基本在光合調控的每個環(huán)節(jié)均存在不足之處，未來還需要加強該方面的研究，解析已有調控策略中的未知機制，同時期待能發(fā)現(xiàn)更多的新型光合調控機制。

沒有光合作用就沒有生命。近些年，為了應對人類人口增長、能源危機等問題，歐洲多國發(fā)起了光合作用2.0聯(lián)合會，美國的蓋茨基金多年來持續(xù)支持C4水稻計劃以及RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency)計劃等。由此可見，國際上對光合作用的基礎研究極為重視。隨著合成生物學與分子育種技術的快速發(fā)展，相信在不久的將來人類有望進一步改善天然的光合作用調控機制，甚至創(chuàng)制全新的調控體系，打造滿足需求的“超級植物”。