植物通過各種光保護機制應(yīng)對光強度的突然增加。硫氧還蛋白(Trx)系統(tǒng)的氧化還原調(diào)節(jié)也有助于這一過程。在以往的研究中，人們已經(jīng)廣泛分析了f型和m型Trx在應(yīng)對這種波動光照條件時的功能，但對x型和y型Trx的功能卻知之甚少。
2023年8月22日，Plant Physiology在線發(fā)表了日本岡山大學(xué)和京都產(chǎn)業(yè)大學(xué)聯(lián)合署名的題為x- and y-type thioredoxins maintain redox homeostasis on photosystem I acceptor side under fluctuating light的文章。科研人員以擬南芥(Arabidopsis thaliana)為研究對象，分析了trx x單突，trx y1 trx y2雙突和trx × trx y1 trx y2三重突變體的差異。對光合作用的詳細分析揭示了在低光下trx x和trx × trx y1 trx y2中光系統(tǒng)I(PSI)參數(shù)的變化。在這些突變體中，PSI的電子受體側(cè)比野生型還原更多。這種突變表型在波動的光照條件下更為明顯。在低光和高光階段，PSI受體側(cè)在trx x和trx × trx y1 trx y2中受到很大限制。在波動光處理后，研究人員觀察到trx x和trx × trx y1 trx y2擬南芥株系的PSI光抑制比野生型更嚴重。此外，當在波動的光照條件下生長時，trx x和trx × trx y1 trx y2植物表現(xiàn)出生長受損和PSI蛋白亞基水平下降。這些結(jié)果表明，Trxx和Trxy可以防止PSI受體側(cè)的氧化還原失衡，這是保護PSI免受光抑制所必需的，特別是在波動光下。此外，研究人員還認為Trxx和Trxy即使在恒定的低光照條件下也能保持氧化還原平衡，為光強度的突然增加做好準備。
本研究中，葉綠素?zé)晒夂蚉700差示吸收，波動光(fluctuating light: 5min低光54 μmol m?2 s?1;1min高光1455 μmolm?2 s?1, 三個循環(huán))模擬測量均通過DUAL-PAM-100雙通道調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x完成。表征NDH活性的測量通過MINI-PAM-II完成。
下面是部分研究結(jié)果。
缺乏 Trx x 和 Trx y 對穩(wěn)態(tài)光合作用的影響
波動光照對 WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2 植物光合作用的影響
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物在波動光光照條件下的可見表型
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物體內(nèi)2-Cys Prx的氧化還原狀態(tài)
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物葉綠素?zé)晒獾乃矔r增加表征NDH活性
自然界中的植物通常暴露在波動的光照下。當光照強度超過植物的光合作用能力時，過剩的能量會形成活性氧（ROS），最終導(dǎo)致光抑制。葉綠體有各種適應(yīng)機制來避免光抑制，優(yōu)化光合作用性能。
在光合作用的光反應(yīng)中，光系統(tǒng)II(PSII)分裂水分產(chǎn)生的電子通過細胞色素b6f復(fù)合物和PSI轉(zhuǎn)移到NADP+，從而產(chǎn)生NADPH。電子傳遞與質(zhì)子轉(zhuǎn)運相結(jié)合，在類囊體膜兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子梯度(ΔpH)，質(zhì)子梯度用于ATP合成，也是誘導(dǎo)光保護機制所必需的。類囊體腔酸化會減緩?fù)ㄟ^細胞色素b6f復(fù)合物的電子傳遞，防止PSI的主要電子供體(P700)過度還原，這種機制被稱為光合作用控制(photosynthetic control)。在防止PSII氧化應(yīng)激的機制中，類囊體腔酸化還能促使PSII天線吸收的多余光能熱耗散。這一過程被監(jiān)測為葉綠素?zé)晒獾姆枪饣瘜W(xué)淬滅(NPQ)。PSI循環(huán)電子傳遞（PSI-CET）是誘導(dǎo)這兩種機制并保護PSI免受光抑制的必要條件。擬南芥（Arabidopsis thaliana）proton gradient regulation 5（pgr5）突變體在PSI-CET的主要途徑上存在缺陷，不能誘導(dǎo)光合控制和熱耗散，并且對強光和波動的光照條件很敏感。
硫氧還蛋白（Trx）系統(tǒng)的氧化還原調(diào)節(jié)也有助于靈活調(diào)節(jié)光合作用以應(yīng)對光照強度的快速變化。在葉綠體中，兩個Trx系統(tǒng)以協(xié)調(diào)的方式發(fā)揮作用。NADPH-Trx還原酶C(NTRC)途徑是葉綠體所特有的，它主要以NADPH為電子供體還原2-Cys過氧化還原酶（2-Cys Prx）。隨后，2-Cys Prx清除過氧化氫并將其轉(zhuǎn)化為水。由于葉綠體中氧化還原失衡，NTRC（ntrc）缺陷突變體即使在持續(xù)弱光條件下也會表現(xiàn)出生長遲緩。
在第二種Trx系統(tǒng)，即鐵氧還蛋白(Fd)/Trx途徑中，Trxs通過Fd-Trx還原酶(FTR)被光合作用還原的Fd還原，還原的Trxs再還原目標酶，從而調(diào)節(jié)酶的結(jié)構(gòu)和功能。擬南芥葉綠體中含有五種不同類型的Trx：兩種Trx f（f1和f2）、四種Trxm（m1、m2、m3和m4）、Trx x、兩種Trx y（y1和y2）以及Trx z。大多數(shù)與光合作用有關(guān)的酶，包括卡爾文-本森-巴塞爾姆（CBB）循環(huán)中的酶，白天活躍，夜間不活躍。大量體內(nèi)和體外研究表明，Trx f和Trx m主要調(diào)節(jié)這些酶的活性。在從黑暗到照光的轉(zhuǎn)變過程中，需要Trx f快速激活CBB循環(huán)酶，以有效誘導(dǎo)光合作用。該研究組以前曾報道過，Trx f和依賴PGR5的PSI-CET通路在這一過程中協(xié)同發(fā)揮作用，防止光抑制。另外，在光照波動的強光階段，Trx m1和m2也是充分光合作用所必需的。
相比之下，人們對Trx x和Trx y在波動光條件下的作用知之甚少。在擬南芥基質(zhì)中，Trx f和Trx m占葉綠體Trx蛋白總量的90%以上，而Trx x和Trx y分別只占總量的6.3%和1.3%。Trx x和Trx y在功能上相互關(guān)聯(lián)，主要作為抗氧化酶的還原底物。Trx y2是Prx Q、甲硫氨酸亞砜還原酶和依賴NADPH的單脫氫抗壞血酸還原酶的電子供體。Trx y缺失突變體(trx y1 trx y2)對強光和干旱的敏感性增加。體外實驗顯示，Trx x是2-Cys Prx最有效的還原劑，而NTRC似乎主要負責(zé)體內(nèi)2-Cys Prx的還原。與ntrc突變體相比，Trx x缺失突變體(trx x)沒有表現(xiàn)出任何明顯的生長缺陷。然而，即使在正常生長條件下，將trx x 突變引入ntrc突變體背景也會加劇ntrc的生長缺陷。Trx y的缺失也略微加劇了ntrc的生長缺陷。這些結(jié)果表明，Trx x和Trx y在光合作用中也有重要功能。
在此，研究人員對trx x單突變體、trx y1 trx y2雙突變體和trx × trx y1 trx y2三突變體進行了表征。在trx x中，PSI的受體側(cè)限制Y(NA)在波動的光照處理下增加，導(dǎo)致PSI光抑制。這種表型在trx × trx y1 trx y2中更為突出。在波動光照條件下生長時，trx x和trx × trx y1 trx y2表現(xiàn)出嚴重的生長缺陷。結(jié)果表明，Trx x和Trx y對PSI受體側(cè)調(diào)控做出了貢獻。
Yuki Okegawa, Nozomi Sato, Rino Nakakura, et al. x- and y-type thioredoxins maintain redox homeostasis on photosystem I acceptor side under fluctuating light[J]. Plant Physiology, 2023, kiad466.