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對OJIP曲線和MR820曲線影響的比較深入解析五種光合抑制劑的生理作用機制

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DOI:https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2020.08.044 

文章亮點：

  • 深入闡述MR820動力學曲線，優(yōu)化MR820動力學曲線參數(shù)Vox 和Vred

  • 通過瞬時熒光(PF)和MR820信號可區(qū)分五種化合物對植物光合系統(tǒng)的精確影響

  • 建立除草劑葉綠素熒光動力學模型，拓展“Plant Talk”和“Machine Learning”領(lǐng)域，無需化學分析，無損快速檢測作物噴施除草劑類型


文章結(jié)論：

  • TeA、DCMU和Bentazone 通過抑制QA 外電子傳遞而使 J-相快速上升
  • DBMIB與cyt b6f 復合體結(jié)合，阻止 PQ 庫再氧化，使 I~P 相振幅減小
  • DCMU和MV 阻斷 PC+ 和 P700+ 的再還原導致 MR820 信號的損失
  • TeA、Bentazone和DBMIB 可抑制 PC+ 和 P700+ 的最大再還原速率

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本研究同時比較了TeA、DCMU、Bentazone、DBMIB和MV五種光合抑制劑(除草劑)對紫莖澤蘭(Ageratina adenophora)瞬時熒光和MR820信號的影響，以期闡明它們對紫莖澤蘭光系統(tǒng)的精確影響。

1. 五種抑制劑對葉綠素熒光OJIP曲線的影響

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眾所周知，DCMU是一種優(yōu)秀的經(jīng)典PSII除草劑，而TeA與DCMU相比是一種弱PSII抑制劑(Chen et al., 2007)。TeA、DCMU和Bentazone通過與D1蛋白相互作用影響初級光化學并阻斷從QA 到次級醌受體QB 的電子傳輸(Nimbal et al., 1996; Bagchi et al., 2003; Strasser et al., 2004; Chen et al., 2007)。如上圖，此三種抑制劑均增加了OJIP曲線的J-相，DCMU和Bentazone導致J-相快速增加接近于對照組P-相高度，并且導致I-P相消失；而TeA處理后J-相也明顯增加，但仍存在I-P相。

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Bentazone抑制光合電子傳遞的機制尚未明確，僅提出假說可與PSII的還原位點結(jié)合(Bagchi et al., 2003)。本研究結(jié)果表明Bentazone處理后J-相快速升高至P-相，表明其主要抑制QA以外的電子傳遞鏈，PSII活性反應中心RCs閉合速率快速上升，QA被迅速還原，QA-快速積累。

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如上圖C中DCMU、Bentazone和TeA處理后M0均高于對照組，進一步證明該三種抑制劑阻斷了QA以外的PSII電子傳輸。
2. L-brand

L-band is known as an indicator of the grouping of the PSII units or energetic connectivity between antenna and PSII RCs (Srivastava et al., 1997; Strasser et al., 2004).

L-峰可指示PSII不同組分間的聚集性或天線色素與PSII活性反應中心RCs的能量傳遞連通性。

查看L-brand情況，如下圖A中上部所示，對O點(20μs)和K點(300μs)之間進行標準化處理Wok = (Ft − Fo)/(Fk − Fo) 即可。同時以線性時間軸分析L-brand差分動力學(下圖A底部)，即 ：

ΔWok = Wok(treatment or control) − Wok(control) 

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MV使L-brand增加最為顯著，其它四種抑制劑均使L-brand略有增加。其中MV和DCMU處理樣品的WL和ΔWL值顯著升高，但DCMU處理樣品的FL/FJ無顯著性變化，表明DCMU處理引起的L-brand的升高是由于J-相升高引起的，而MV則降低了PSII不同組分間的聚集性或能量連通性而導致L-brand的出現(xiàn)。
3. K-brand

An increase of the K-step indicates the inactivation of OEC centers at the PSII donor side(Srivastava and Strasser, 1995; Srivastava et al., 1997; Strasser et al., 2004)

The occurrence of K-step has been observed in plants that suffer from heat or drought stress and is an indicator of the destruction of OEC(Strasser et al., 2004; Tόth et al., 2011; Chen et al., 2016). 
K峰的出現(xiàn)表明PSII供體側(cè)的放氧復合體OEC(oxygen-evolving-complex)的失活。在遭受高溫或干旱脅迫的植物中常觀察到K峰的出現(xiàn)，是OEC受破壞的指示參數(shù)。
查看K-brand情況，如下圖C中上部所示，對O點(20μs)和J點(2ms)之間進行標準化處理WOJ = (Ft − FO)/(FJ − FO) 即可。同時以線性時間軸分析K-brand差分動力學(下圖C底部)，即：
 ΔWOJ = WOJ(treatment or control) − WOJ(control) 。

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五種抑制劑均可引起K-brand的出現(xiàn)，而只有DCMU和MV顯著改變了WK, OEC centers和FK/FJ，表明僅DCMU和MV確實損傷了OEC放氧復合體。
4. I~P相 & δRo

The maximal amplitude of WOI≥ 1 reflects the size of the pool of the end electron acceptors at the PSI acceptor side and the WIP represents the reduction rate of the end electron acceptor in PSI(Oukarroum et al., 2009; Yusuf et al., 2010).

WOI≥ 1部分I~P相的振幅反應了PSI受體側(cè)末端電子受體庫的大小，WIP則反應了PSI受體側(cè)末端電子受體的還原速率。
通過對O點(20μs)和I點(30ms)之間進行標準化處理WOI = (Ft − FO)/(FI − FO) ，WOI＜1部分可觀察J相變化，WOI≥1部分I~P相的振幅大小指示PSI受體側(cè)末端電子受體庫的大小。I~P相振幅越小，則表明PSI受體側(cè)末端電子受體庫所受抑制越強。
WIP = 0.5(上升曲線達到半值)處所需時間點可用來反應PSI末端電子受體庫的還原速率。

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如上圖A\B及下圖C所示，DCMU和Bentazone處理使I~P相振幅完全消失、曲線上升半程時間升高，表明此兩種抑制劑可抑制PSI受體側(cè)末端電子受體庫，且降低其還原速率。而TeA僅降低了受體側(cè)末端電子受體庫，對其還原速率不產(chǎn)生影響。

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δRo = TR0/ET0，表示電子從還原的PSII和PSI系統(tǒng)間電子傳遞鏈的電子受體傳輸?shù)絇SI末端電子受體的概率。
上圖D結(jié)果表明，TeA和DCMU顯著提高了δRo，DBMIB和MV則大幅度降低了δRo，說明TeA和DCMU對PSI活性有一定的刺激作用，而DBMIB和MV對其有一定的抑制作用。

5. 820nm調(diào)制反射動力學曲線模型&參數(shù)

典型的820nm調(diào)制反射瞬態(tài)動力學曲線包括從MR0(約0.7ms)到MRmin(約7ms)的快速下降階段(快相)，然后是從MRmin到MRmax(約300ms)的緩慢增加相位(慢相)。

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快相反映了PC和P700的氧化狀態(tài)，可以量化為∆MRfast/MR0。慢相代表PC+和P700+的再還原狀態(tài)，表示為∆MRslow/MR0。

**點MRmin時，PC和P700的氧化速率與還原速率達到平衡狀態(tài)，氧化還原速率相等。
Gao等人2014年**提出由MR820曲線導出的兩個參數(shù)Vox 和Vred，分別代表PC和P700的氧化和再還原速率，可以利用MR信號在兩個特定時間范圍內(nèi)線性回歸的初始斜率的絕對值來計算，分別為0.7~3 ms(快速階段)和7~300 ms(慢速階段)(Gao et al., 2014)。

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然而，這兩個特定時間范圍的MR/MR0信號與線性時間標度不是一條直線。因此在計算Vox和Vred時，如上圖本研究作者創(chuàng)新性地提出了兩個新的時間范圍：0.7～2ms(Vox)和9～30ms(Vred)對其進行優(yōu)化：
Vox =∆MR/∆t =(MR2ms – MR0.7ms)/(1.3 ms)；
Vred =∆MR/∆t =(MR30ms – MR9ms)/(21 ms)；

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為了進一步證實五種抑制劑是如何影響PSI活性的，在M-PEA多功能植物效率分析儀(英國Hansatech)測定快速葉綠素熒光動力學OJIP曲線的同時，測定了820nm的透射動力學曲線。測定程序如下：1s飽和紅光脈沖+10s遠紅光脈沖+第二次1s飽和紅光脈沖。
兩個紅光脈沖被設置來誘導PC和P700的快速氧化(快相)，**飽和紅光脈沖后期P700隨后被來自PSII的電子傳輸重新還原(慢相)。中間10s遠紅光脈沖被設計用來對PC和P700進行二次氧化。

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結(jié)果表明，DCMU、MV、Bentazone和TeA主要影響MR820信號的慢相部分。經(jīng)DCMU和MV處理的樣品在MR820信號動力學中慢相部分完全消失。而Bentazone和TeA僅部分影響MR820信號的慢相。
DCMU是一種優(yōu)良的光合除草劑，通過與D1蛋白結(jié)合來阻斷QA以外的電子傳遞。在DCMU的存在下，幾乎沒有電子可以通過QA來還原P700+和PC+

(Strasser et al., 2004)。MV直接從電子傳輸鏈捕獲電子，速度幾乎與PSII將其泵入鏈中的速率相同(Schansker et al., 2005)。在DCMU和MV處理的葉片中，沒有電子參與P700+和PC+的再還原，而Bentazone和TeA不能完全阻斷通過QA到PC+和P700+的PSII電子流。

DBMIB是一種人工醌，通過與細胞色素(cyt)b6f復合位點結(jié)合來抑制光合作用中的電子傳遞并阻止PQ庫的再氧化(Belatik et al., 2013)。因此觀察到DBMIB低了∆MRfast/MR0和∆MRslow/MR0的值以及Vox和Vred的值，這表明DBMIB分子既影響PC和P700的氧化又會對PC+和P700+的再還原產(chǎn)生影響。
6. 結(jié)論&創(chuàng)新性

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可見，葉綠素快速熒光動力學OJIP曲線和MR820動力學曲線為評價和監(jiān)測PSII和PSI活性的變化提供了方便的方法和新的思路。這兩種測量方法都清楚地顯示了植物遭受不同光合抑制劑脅迫時的敏感性和優(yōu)勢。

另一方面，由于植物光合器官在每種抑制劑下的反應是特定的(表1)，我們認為這種類型的研究可以幫助發(fā)現(xiàn)在植物生長期間使用了哪些除草劑，而無需進行化學分析。
這一發(fā)現(xiàn)有助于“plant talk”和“machine learning”領(lǐng)域，利用葉綠素熒光測量來確定植物的脅迫類型(Goltsev et al., 2012; Kalaji et al., 2018)。


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