光合作用是植物將光能轉化為化學(xué)能的核心過(guò)程，其效率直接決定作物產(chǎn)量與抗逆能力。然而，高光、波動(dòng)光等環(huán)境脅迫常導致光合機構損傷，依賴(lài)光保護機制(如非光化學(xué)淬滅NPQ)和能量轉換平衡(如類(lèi)囊體膜質(zhì)子梯度ΔpH)維持光合穩態(tài)至關(guān)重要。2025年8月26日，The Plant Journal與Plant Physiology發(fā)表的兩項研究，分別從色素功能和膜蛋白調控兩個(gè)維度，揭示了植物光合系統優(yōu)化的新機制，為作物光合效率改良提供了關(guān)鍵靶點(diǎn)。

小麥作為全球主糧，其光合效率受葉綠素(Chl)調控顯著(zhù)。此前研究已知Chl b缺陷會(huì )導致植物對高光敏感，但具體機制尚不明確。四川農業(yè)大學(xué)陳洋爾教授團隊以小麥Chl b缺陷突變體ANK-32A(攜帶cn-A1基因突變)為材料，對比野生型(野生型)系統解析了Chl b在光合系統組裝與光保護中的作用。

1. 突變體的核心表型：黃綠化與光合能力下降

形態(tài)與色素特征：ANK-32A 在全生育期呈黃綠表型(圖1)，從第一葉(L1)到第五葉(L5)的總Chl、類(lèi)胡蘿卜素含量均顯著(zhù)低于野生型，且Chl a/b比值更高(L1中差異最顯著(zhù))，表明Chl b缺乏直接導致捕光色素系統受損。

圖1 小麥 Chl b 缺陷突變體 ANK-32A的表型與光合色素含量

光合參數異常：ANK-32A的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)顯著(zhù)降低，而胞間CO?濃度(Ci)升高，說(shuō)明其CO?同化效率下降；類(lèi)囊體膜的氧釋放速率(PSII光化學(xué)活性指標)也顯著(zhù)低于野生型，反映光合電子傳遞受阻。

2. 光保護機制紊亂：NPQ升高但PSI易受光抑制

非光化學(xué)淬滅(NPQ)異常：ANK-32A的NPQ在L3、L5中顯著(zhù)高于野生型，表明其通過(guò) “以熱耗散過(guò)剩光能” 的方式代償，但NPQ暗恢復速率在L1中變慢，意味著(zhù)光保護狀態(tài)難以快速解除，影響低光下的光合恢復。

PSI光抑制加?。和ㄟ^(guò)830 nm吸收信號(Pm，反映可氧化PSI含量)檢測發(fā)現，ANK-32A的Pm值全生育期低于野生型，且高光處理(3~6 h)后 Pm下降更顯著(zhù)(圖2)，證明Chl b缺乏導致PSI對高光更敏感，易發(fā)生光損傷。

圖2 小麥 野生型與ANK-32A的氧釋放、PSI光抑制及能量耗散

狀態(tài)轉換受阻：ANK-32A的L1、L2中狀態(tài)轉換系數(qT)顯著(zhù)低于野生型，77K熒光光譜顯示其PSII→PSI的能量分配失衡，進(jìn)一步驗證光合系統間電子傳遞紊亂。

3. 分子機制：類(lèi)囊體蛋白組裝受阻與PSI中間體積累

捕光蛋白缺失：免疫印跡顯示，ANK-32A的PSI捕光蛋白(Lhca1~4)、PSII主要捕光蛋白(Lhcb1~3)含量顯著(zhù)降低，僅L5中Lhcb1~3恢復至野生型水平，說(shuō)明Chl b是這些蛋白穩定積累的關(guān)鍵(圖3)。

PSI組裝異常：藍綠溫和膠電泳(BN-PAGE)結合質(zhì)譜分析發(fā)現，ANK-32A中積累一種新型 PSI組裝中間體PSI*(圖5)，其包含PsaA、PsaB等PSI核心亞基，但缺乏Lhca1~4捕光蛋白，表明Chl b缺乏阻斷了PSI*向成熟PSI的轉化，導致光合系統I功能受損。

葉綠體結構退化：透射電鏡顯示，ANK-32A的葉綠體直徑、基粒層數、基粒直徑均顯著(zhù)小于野生型(圖6)，反映類(lèi)囊體膜結構因蛋白組裝異常而退化。

圖3 小麥 野生型與ANK-32A的類(lèi)囊體蛋白組成

圖4 小麥 野生型與ANK-32A的類(lèi)囊體蛋白磷酸化

圖5 小麥 野生型與ANK-32A的類(lèi)囊體蛋白復合物組成

圖6 小麥 野生型與ANK-32A的葉綠體超微結構

4. 田間驗證：產(chǎn)量顯著(zhù)降低

盡管ANK-32A的單株穗數略有增加(+15.3%)，但其穗長(cháng)(-44.9%)、千粒重(-15.8%)、單株產(chǎn)量(-16.5%)均顯著(zhù)低于野生型，證實(shí)Chl b缺乏通過(guò)破壞光合系統最終導致產(chǎn)量下降。

1. 科學(xué)問(wèn)題：被膜蛋白如何影響類(lèi)囊體ΔpH？

DLDG1定位于葉綠體被膜(非類(lèi)囊體膜)，但dldg1突變體卻表現出類(lèi)囊體腔過(guò)度酸化與 NPQ升高的矛盾表型。已知hope2突變體(CFo-CF1 ATP合酶γ亞基突變)會(huì )導致H⁺傳導率(gH⁺)升高、NPQ降低，團隊推測DLDG1可能通過(guò)調控ATP合酶間接影響ΔpH，因此構建dldg1 hope2雙突變體驗證功能互作。

2. 雙突變體的核心補償效應

NPQ恢復：在低、中、高光下，hope2突變體的NPQ誘導顯著(zhù)慢于野生型，而dldg1 hope2的NPQ誘導速率顯著(zhù)快于hope2，且2 min后與dldg1持平(圖1)，表明dldg1突變可補償hope2的光保護缺陷。

圖1 野生型與突變體的NPQ動(dòng)力學(xué)與暗恢復

ATP合酶氧化換還原狀態(tài)獨立：AMS標記實(shí)驗顯示，dldg1突變不影響ATP合酶γ亞基的氧化還原狀態(tài)(圖2C)，說(shuō)明DLDG1的調控作用不依賴(lài)氧化還原機制，而是通過(guò)基質(zhì)pH穩態(tài)間接實(shí)現。

圖2 野生型與突變體的gH+、pmf及ATP合酶氧化還原狀態(tài)

3. 環(huán)境條件的影響：CO2與波動(dòng)光的關(guān)鍵作用

CO2濃度依賴(lài)性：低CO? (20 ppm)下，hope2的NPQ顯著(zhù)低于野生型，而dldg1 hope2的NPQ部分恢復；高CO2 (1500 ppm)下，hope2與dldg1 hope2的NPQ差異縮小(圖3)，表明 DLDG1的調控作用在碳同化受限(低CO2)時(shí)更顯著(zhù)。

波動(dòng)光敏感性：在“低光5 min +高光1 min”的波動(dòng)光下，dldg1 hope2的NPQ顯著(zhù)高于hope2，但PSII最大量子產(chǎn)率(Fv/Fm)下降更顯著(zhù)(圖7)，且植株表現出嚴重生長(cháng)遲緩、種子萌發(fā)率低(<20%)，證明DLDG1-ATP合酶模塊對波動(dòng)光適應至關(guān)重要。

圖3 不同CO2濃度下的光合光響應曲線(xiàn)

圖4 野生型與突變體的快速光響應曲線(xiàn)(PSII相關(guān))

圖5 野生型與突變體的快速光響應曲線(xiàn)(PSI相關(guān))

圖6 野生型與突變體的表型分析

圖7 波動(dòng)光下野生型與突變體的PSII活性

4. 機制假說(shuō)：基質(zhì)pH穩態(tài)的“橋梁作用”

DLDG1通過(guò)調節葉綠體被膜的H⁺/離子轉運維持基質(zhì)pH穩定，而基質(zhì)pH直接影響ATP合酶的代謝調控(非氧化還原調控)：當DLDG1缺失時(shí)，基質(zhì)酸化抑制ATP合酶活性，減少類(lèi)囊體H⁺外排，間接增強ΔpH與NPQ；而hope2的ATP合酶功能異?？赏ㄟ^(guò)“增強H⁺外排” 抵消這一效應，最終形成雙突變體的補償表型。此外，DLDG1與被膜上的KEA1/KEA2(K⁺-H⁺反向轉運體)功能類(lèi)似，均可通過(guò)NaCl處理緩解淡綠色表型，暗示其共同參與葉綠體離子穩態(tài)調控。

兩項研究從不同維度拓展了我們對植物光合調控的認知：

Chl b的新功能：首次明確Chl b通過(guò)維持Lhca/Lhcb蛋白穩定，調控PSI組裝(抑制PSI*積累)，為“通過(guò)精準調控Chl b含量?jì)?yōu)化光合系統天線(xiàn)大小”提供依據；

被膜蛋白的間接調控：揭示葉綠體被膜蛋白DLDG1通過(guò)基質(zhì)pH穩態(tài)調控類(lèi)囊體ΔpH，打破“類(lèi)囊體H⁺平衡僅由類(lèi)囊體膜蛋白調控”的傳統認知；

抗逆育種靶點(diǎn)：ANK-32A的PSI光敏感與dldg1 hope2的波動(dòng)光脆弱性，提示Chl b合成基因、DLDG1、ATP合酶可作為作物抗高光/波動(dòng)光脅迫的分子靶點(diǎn)。

未來(lái)通過(guò)基因編輯技術(shù)調控這些關(guān)鍵基因，有望培育出光合效率高、抗逆性強的作物新品種，為應對氣候變化下的糧食安全挑戰提供新策略。

The Plant Journal與Plant Physiology最新發(fā)表的兩項研究成果為我們揭示了葉綠素b調控小麥PSI組裝與DLDG1介導類(lèi)囊體H⁺平衡機制。仔細拆解實(shí)驗方法不難發(fā)現，這兩項研究都全面的使用了德國WALZ的光合作用測量解決方案。GFS-3000便攜式光合-熒光測量系統進(jìn)行光合作用CO?同化的氣體交換測量，MAXI-IMAGING-PAM葉綠素熒光成像系統進(jìn)行光合作用光反應能量轉換的活體成像，DUAL-PAM-100雙通道葉綠素熒光儀進(jìn)行PSII和PSI光能轉換和狀態(tài)轉換的測量。DUAL-PAM-100雙通道葉綠素熒光儀搭載P515/535模塊進(jìn)行跨膜質(zhì)子梯度，ATP合酶活性相關(guān)的質(zhì)子導度分析。

當我們進(jìn)一步分析這兩份最新研究成果的方法時(shí)，我們看出，德國WALZ光合作用測量解決方案并非簡(jiǎn)單的“儀器堆砌”，而是一套覆蓋光合作用“光反應-暗反應偶聯(lián)”“宏觀(guān)表型-微觀(guān)機制”“靜態(tài)參數-動(dòng)態(tài)過(guò)程”的系統性研究工具鏈——這套“王炸組合”以三大核心儀器為支點(diǎn)，精準打通了從“光合生理現象”到“分子調控機制”的研究鏈路，為光合作用研究建立了全新的技術(shù)范式。

從研究維度的完整性來(lái)看，這套組合實(shí)現了對光合系統的“全鏈條覆蓋”：GFS-3000便攜式光合-熒光測量系統聚焦“暗反應”核心，通過(guò)精準控制CO2濃度、光強等環(huán)境因子，量化凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等參數，直接反映碳同化效率(如The Plant Journal的研究發(fā)現ANK-32A的Ci升高而Pn下降，揭示CO?同化受阻；Plant Physiology的研究在20~1500 ppm的CO?梯度下解析ETR II變化，明確DLDG1調控的環(huán)境依賴(lài)性)；而 MAXI-IMAGING-PAM葉綠素熒光成像系統則充分滿(mǎn)足了“空間異質(zhì)性”研究的需求，其高分辨率成像能力可捕捉葉片不同部位(如小麥L1~L5 葉、擬南芥突變體黃綠葉片與成熟葉片)的熒光信號差異，例如The Plant Journal的研究通過(guò)該系統觀(guān)察到ANK-32A各葉片NPQ分布的動(dòng)態(tài)變化，Plant Physiology的研究則用其直觀(guān)呈現波動(dòng)光下突變體Fv/Fm的空間衰減，讓“葉片級”的光合差異不再被“平均化數據”掩蓋；DUAL-PAM-100雙通道葉綠素熒光儀及其P515/535模塊則直擊“光反應核心機制”，前者可同步測量PSII與PSI的光能轉換效率(如 ΦPSII、Y(I)、Pm值)和狀態(tài)轉換過(guò)程(qT)，后者則通過(guò)電致變色位移(ECS)信號量化跨膜質(zhì)子梯度(ΔpH)與質(zhì)子導度(gH?)，直接關(guān)聯(lián)ATP合酶活性——正是這套組合，讓The Plant Journal的研究清晰鎖定“Chl b缺陷→Lhca/Lhcb蛋白減少→PSI組裝受阻→PSI光抑制” 的因果鏈，也讓Plant Physiology的研究通過(guò)“gH?-pmf-NPQ”的聯(lián)動(dòng)數據，證實(shí)DLDG1對ATP合酶的間接調控。

從研究邏輯的閉環(huán)性來(lái)看，這套“王炸組合”解決了傳統光合研究中“單一指標碎片化”的痛點(diǎn)，構建了“現象-假說(shuō)-驗證”的完整證據鏈。例如Plant Physiology的研究在分析DLDG1功能時(shí)，先通過(guò)MAXI-IMAGING-PAM觀(guān)察到dldg1 hope2雙突變體的黃綠表型與Fv/Fm異常(現象)，再用GFS-3000在不同CO?下測ETR II，發(fā)現低CO?下雙突變體的電子傳遞缺陷更顯著(zhù)(提出“基質(zhì)pH調控碳同化-光反應偶聯(lián)”假說(shuō))，隨后用DUAL-PAM-100測Y(NA)/Y(ND) 證實(shí)PSI供體側限制增強，最終通過(guò)P515/535模塊測gH⁺，直接驗證“dldg1突變補償hope2的H⁺傳導異?！?；又如The Plant Journal的研究在分析小麥Chl b功能時(shí)，GFS-3000的Pn數據指出光合效率下降，MAXI-IMAGING-PAM的NPQ成像顯示光保護代償，DUAL-PAM-100的Pm測量鎖定PSI光抑制—正是這些來(lái)自不同儀器的互補數據，讓兩項研究的結論更具說(shuō)服力，避免了“僅靠單一參數推斷機制”的局限性。

從研究場(chǎng)景的適應性來(lái)看，這套組合還能靈活匹配“室內精準實(shí)驗”與“田間真實(shí)環(huán)境”的需求：The Plant Journal的研究在溫室控制條件下用MAXI-IMAGING-PAM解析小麥葉片發(fā)育過(guò)程中的光合變化，同時(shí)在雅安田間用GFS-3000測旗葉光合參數與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)；Plant Physiology的研究則通過(guò)調控光強(波動(dòng)光/恒定光)、CO?濃度，用DUAL-PAM-100與GFS-3000模擬自然環(huán)境脅迫，揭示DLDG1-ATP合酶模塊在波動(dòng)光適應中的關(guān)鍵作用。這種“實(shí)驗室機制解析+田間表型驗證”的銜接，讓基礎研究成果更易向作物育種轉化——例如未來(lái)通過(guò)這套組合篩選“Chl b含量適宜+DLDG1功能穩定”的作物品種，可同時(shí)兼顧光合效率與抗逆性。

可以說(shuō)，The Plant Journal與Plant Physiology的這兩項研究，不僅在科學(xué)上揭示了光合調控的新機制，更以實(shí)踐證明：WALZ這套“光合-熒光-質(zhì)子梯度”測量組合，可以作為光合作用研究的“新范式工具包”。它不再局限于“測量某一個(gè)光合參數”，而是通過(guò)多維度、高協(xié)同的技術(shù)支撐，幫助研究者從“系統層面”理解光合系統的運作邏輯—無(wú)論是解析色素、膜蛋白等分子的功能，還是研究環(huán)境脅迫下的光合適應機制，這套 “王炸組合”都能提供從“宏觀(guān)表現” 到“微觀(guān)機制”的完整視角，為未來(lái)光合效率改良、抗逆作物培育等研究提供了可復制、可推廣的技術(shù)路徑。