2025年2月27日，Communications Biology在線(xiàn)發(fā)表日本東京大學(xué)農業(yè)與生命科學(xué)研究生院Wataru Yamori課題組標題為Identification and characterization of compounds that improve plant photosynthesis and growth under light stress conditions的研究論文。文章通過(guò)葉綠素熒光成像系統構建了基于煙草葉圓片的高通量化學(xué)篩選系統，發(fā)現并驗證了蒽醌衍生物(如A1N和A4N)能夠通過(guò)增強光系統I(PSI)的電子接受能力緩解植物高光脅迫，顯著(zhù)提升光合效率和作物生長(cháng)，且對非脅迫條件下的植物無(wú)負面影響，為農業(yè)抗逆化學(xué)品的開(kāi)發(fā)提供了新策略。
現有抗逆策略或多或少的都存在局限性。例如基因改造，通過(guò)引入玉米GOLDEN2-LIKE基因或苔蘚的Flavodiiron蛋白可增強光脅迫抗性，但公眾對轉基因作物的安全性擔憂(yōu)限制了其應用?；瘜W(xué)生物學(xué)方法也可以提高作物抗性，已有研究通過(guò)小分子化合物調控植物氣孔開(kāi)閉或代謝通路(如乙酸誘導抗旱性)，但針對光脅迫的化學(xué)保護劑研究幾乎空白。亟需開(kāi)發(fā)一種非轉基因的化學(xué)保護劑，通過(guò)改善光合電子傳遞效率緩解高光脅迫，同時(shí)不影響正常生長(cháng)條件下的植物表現。
第二步是基于光合參數進(jìn)行實(shí)驗驗證。在篩選系統的基礎上進(jìn)行葉圓片實(shí)驗，通過(guò)700 μmolm?2·s?1強光處理12小時(shí)誘導光脅迫，A1N和A4N處理組的光合誘導速率(Y(II))顯著(zhù)高于對照組(圖2)。然后進(jìn)行濃度依賴(lài)性評估，低濃度(0.08–2 μg·mL?1)下，蒽醌衍生物顯著(zhù)提升光合效率；高濃度(4 μg·mL?1)可能抑制PSII功能。
除了葉圓片實(shí)驗，本研究也進(jìn)行了蒽醌衍生物對完整葉片的實(shí)驗驗證，使用四種植物(煙草、生菜、番茄和擬南芥)進(jìn)行，A1N處理組在72小時(shí)光脅迫后，PSII和PSI的電子傳遞速率(ETR II/ETR I)及CO?同化率顯著(zhù)高于對照組(圖5)。PSI氧化能力測量實(shí)驗證實(shí)A1N和A4N可作為PSI的電子受體，通過(guò)氧化PSI受體側(如A0/A1)減少過(guò)度還原。
第三步是蒽醌衍生物光脅迫抗性化學(xué)保護劑的分子機制與基因表達分析。電子傳遞鏈定位，蒽醌衍生物在PSI的電子接受能力為MV(甲基紫精)的78-86%，但在PSII中無(wú)活性(圖4C)。其還原電位(A1N: -816 mV vs. SHE)低于PSI的P700(-1320 mV)，但高于PSII的P680(-620 mV)，表明其特異性作用于PSI。RNA測序相關(guān)的轉錄組分析顯示，A1N處理組擬南芥在光脅迫下光合相關(guān)基因(如光捕獲復合體、電子傳遞鏈基因)的表達下調較少，表明其通過(guò)保護光合機構減少基因調控壓力。
最后，本研究對蒽醌衍生物作為光脅迫抗性化學(xué)保護劑的長(cháng)期效應與安全性進(jìn)行了評估。通過(guò)恢復實(shí)驗研究發(fā)現，光脅迫處理96小時(shí)后，A1N處理組的擬南芥、生菜和番茄在恢復期(1周)表現出更高的葉綠素含量(SPAD值)和生物量，且未出現早期開(kāi)花等脅迫癥狀(圖6-8)。安全性方面，非脅迫條件下，A1N處理組的光合參數和生長(cháng)指標與對照組無(wú)差異。表面施用的蒽醌衍生物在7天內完全降解，無(wú)環(huán)境殘留風(fēng)險。
其次，本研究首次揭示蒽醌衍生物通過(guò)調節PSI氧化還原狀態(tài)緩解光脅迫的分子機制，填補了化學(xué)生物學(xué)在光脅迫領(lǐng)域的研究空白。建立的高通量葉圓片篩選系統和技術(shù)路線(xiàn)為未來(lái)植物抗逆化學(xué)品劑的開(kāi)發(fā)提供了高效平臺。
最后，也是最重要的一點(diǎn)是蒽醌衍生物的環(huán)境與安全性?xún)?yōu)勢，它們天然存在于地衣、植物中，具有低毒性和快速降解特性，符合可持續農業(yè)需求。避免了基因改造作物的監管和公眾接受度問(wèn)題。
此外，實(shí)驗樣品PSII和PSI期間電子傳輸速率的測定還用到了雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100和GFS-3000光合儀及聯(lián)用葉室。系統全面的評估了蒽醌衍生物對煙草、番茄、生菜和擬南芥幼苗的短期和長(cháng)期的影響。
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