中國農(nóng)科院作科所解析水稻適應(yīng)長期波動光的光合生理調(diào)控機(jī)制

在自然界中，由于太陽角度改變、云層運(yùn)動、相鄰植物葉片遮擋以及葉片顫動等的影響，使得大田中光照強(qiáng)度通常處于頻繁的波動變化中（波動光）。目前多數(shù)研究集中在植物對波動光的短期響應(yīng)，而有關(guān)大田作物對波動光的研究鮮有報(bào)道，特別是作物如何適應(yīng)長期波動光的生理機(jī)制尚不清楚。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所周文彬課題組與山東農(nóng)業(yè)大學(xué)合作，通過系統(tǒng)分析恒定光與波動光條件下水稻的生長、光合生理和葉片解剖結(jié)構(gòu)差異，發(fā)現(xiàn)光合電子傳遞、ATP合酶活性以及非光化學(xué)淬滅（NPQ）的調(diào)控是水稻適應(yīng)波動光的重要生理過程。研究揭示了植物在波動光強(qiáng)下的光合調(diào)控生理機(jī)制，為作物在大田條件下光能高效利用提供了理論依據(jù)。

通過比較短期和長期波動光處理水稻植株，研究發(fā)現(xiàn)長期波動光處理降低了水稻植株的株高和生長速率。短期波動光處理主要抑制光系統(tǒng)I（PSI）活性，而光系統(tǒng)II（PSII）由于受到非光化學(xué)淬滅的保護(hù)受影響較小。隨著波動光處理時(shí)間的延長，PSBS蛋白表達(dá)增加，葉黃素循環(huán)組分玉米黃質(zhì)大量積累，類囊體腔側(cè)的酸化（ΔpH）程度增加，共同誘導(dǎo)較高的非光化學(xué)淬滅。長期波動光處理使PSI受體側(cè)限制增加，而NPQ的增加降低了PSII的光化學(xué)效率，電子傳遞速率在PSI和PSII均下降，表明長期波動光處理使PSI和PSII活性均受到抑制。進(jìn)一步研究表明，長期波動光處理使類囊體膜質(zhì)子導(dǎo)度下降，說明ATP合酶活性下降。葉綠體超微結(jié)構(gòu)觀察顯示長期波動光處理葉綠體類囊體基粒數(shù)增加而基粒厚度降低，免疫印跡分析表明光合相關(guān)蛋白積累均降低。通過葉片氣孔結(jié)構(gòu)分析和光合氣體交換測定，發(fā)現(xiàn)長期波動光處理使氣孔導(dǎo)度下降主要是由于氣孔開度的減小，進(jìn)一步限制了CO₂的同化，最終導(dǎo)致水稻生長受到抑制。該研究結(jié)果對于進(jìn)一步提高水稻在大田波動光環(huán)境條件下的光合效率具有重要意義。

該研究成果于2020年11月20日在Plant, Cell & Environment 期刊在線發(fā)表。中國農(nóng)科院作科所和山東農(nóng)大聯(lián)合培養(yǎng)博士生衛(wèi)澤和作科所段鳳瑩博士為本文共同作者，中國農(nóng)科院作科所周文彬研究員和山東農(nóng)大宋憲亮教授為論文共同通訊作者。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300102）和中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。