【正文】 很高的能量需求，可以耗去很多能量，防止強(qiáng)光和 CO2虧缺條件下的光抑制。 長(zhǎng)期以來，光呼吸被認(rèn)為是 “ 無效 ” 耗能過程，人們?cè)噲D通過抑制光呼吸來提高光合速率和作物產(chǎn)量的努力，均難以奏效。但近年來越來越多的證據(jù)表明光呼吸在耗散過剩光能保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免于光破壞中起重要作用。光呼吸的保護(hù)作用大致通過四條途徑實(shí)現(xiàn)： ① 光呼吸釋放 1分子 CO2比光合碳同化固定 1分子CO2多消耗兩倍的化學(xué)能量，當(dāng)碳同化不能及時(shí)利用化學(xué)能量時(shí)，光呼吸的耗能運(yùn)轉(zhuǎn)可以減少過剩光能的積累； ②光呼吸循環(huán)加速了磷的周轉(zhuǎn)利用，從而避免了光合作用的無機(jī)磷限制； ③光呼吸釋放的 CO2和再生的 3一磷酸甘油酸可以重新進(jìn)入卡爾交循環(huán)，維持一定的光合速率； ④光呼吸降低 Mehler反應(yīng)速率，有利于減輕 O2－ 等活性氧的潛在危害，而且比 Mehler反應(yīng)的光保護(hù)作用更有效。 （ 8） H2OH2O循環(huán) Mehler反應(yīng)： 2e SOD PSI → 2O2 → 2O2 → O2 + H2O2 ↑4e CAT↓AsAPOD PSII H2O + O2 2H2O O2 Mehler的保護(hù)作用需要清除活性氧的酶系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，否則，造成傷害。 在這個(gè)過程中， PSII中水光解所產(chǎn)生的電子，通過 PSI傳遞給 O2，最終又還原成 H2O, 其中沒有氧的釋放。因此： PSI受體側(cè)對(duì) O2的直接還原生成 O2 ，后者又被 SOD和過氧化物酶作用生成 H2O, 這種在葉綠體中 O2的光還原最終生成 H2O的過程，叫做 H2O－ H2O循環(huán)。徑 (9)捕光天線脫離 在對(duì)生長(zhǎng)光強(qiáng)的長(zhǎng)期適應(yīng)過程中．植物可以通過改變捕光天線中蛋白的基因表達(dá)和這些蛋白的降解來改變天線的數(shù)量，從而改變傳遞給反應(yīng)中心的光能數(shù)量 . 在對(duì)生長(zhǎng)光強(qiáng)變化的短期響應(yīng)過程中，植物可以通過捕光 復(fù)合體 LHCII 從 PSII反應(yīng)中心復(fù)合體的可逆脫離來防御過量的光能對(duì) PSII反應(yīng)中心的破壞。 LHCII的可逆脫離既可以防御強(qiáng)光下的光破壞，又可以使光有限條件下的光合作用趨向最大，從而保證光強(qiáng)經(jīng)常變動(dòng)環(huán)境中植物的生存和生長(zhǎng)發(fā)育。 這種天線脫離是物種依賴的：大豆和水稻等植物具有這種調(diào)節(jié)方式，而小麥和玉米等沒有這種調(diào)節(jié)方式。因此，它們對(duì)光強(qiáng)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出兩種不同的響應(yīng)方式 (Ch en和 xu，2022)(圖 )。 脫離的 LHCII重新結(jié)合到 PSII中心 脫離的 LHCII不能重新結(jié)合到 PSII中心 (10) D1蛋白周轉(zhuǎn) D1蛋白是葉綠體基因組編碼的蛋白質(zhì)中周轉(zhuǎn)最快的蛋白。在強(qiáng)光下，很可能 D1蛋白處于不斷的降解和合成之中。由于這種降解與合成之間形成動(dòng)態(tài)平衡而不發(fā)生 D1蛋白的凈損失。 在沒有其他嚴(yán)重環(huán)境脅迫因素存在的自然條件下發(fā)生的光抑制中，之所以看不到光合機(jī)構(gòu)的破壞、 D1蛋白的損失，就是由于上述保護(hù)系統(tǒng)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。在光抑制的分子機(jī)制研究中，人們的興趣已經(jīng)由光破壞轉(zhuǎn)移到光破壞的防御。 光抑制與光破壞的關(guān)系 在過去的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，不少人一提到光抑制就把它和光合機(jī)構(gòu)的破壞聯(lián)系在一起，認(rèn)為光抑制是 D1蛋白的破壞、降解速率超過其重新合成、修復(fù)速率、也就是 D1蛋白凈損失的 結(jié)果。然而，不少實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光抑制不伴隨 D1蛋白的凈損 失。早在 1988年。 Krause和 Oquist就分別提出，可以把光抑制看作一個(gè)可以控制的保護(hù)機(jī)制，用于耗散過量的光能。 Critchley和 Russell(1994)指出，光引起的光合機(jī)構(gòu)的破壞，可能只是一個(gè)在非常的環(huán)境包括實(shí)驗(yàn)室中才發(fā)生的現(xiàn)象。以前被認(rèn)為是光破壞的一些事情，事實(shí)上只是一些可逆下調(diào)的微妙機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)的反映。體內(nèi)光抑制常常是一種保護(hù)性的戰(zhàn)略，而不是一個(gè)破壞過程 (Anderson等， l 997). 二、溫度 溫度是影響光合機(jī)構(gòu)最為頻繁的環(huán)境因素，光合作用的暗反應(yīng)屬于酶促反應(yīng)，很易受到溫度的影響。 光合機(jī)構(gòu)對(duì)高、低溫的適應(yīng)與葉綠體膜的穩(wěn)定性有關(guān) 膜的穩(wěn)定性取決于膜的不飽和脂肪酸的比例和膜的流動(dòng)性。熱帶植物熱穩(wěn)定性高，膜脂相變溫度也高，耐熱不耐冷。 光合機(jī)構(gòu)對(duì)低溫、冰凍的適應(yīng)機(jī)制 ◆ 可溶性蛋白積累； ◆ 糖蛋白增加； ◆ Rubisco結(jié)構(gòu)和催化活性改變。制 高溫傷害光合機(jī)構(gòu)原初位點(diǎn)的研究進(jìn)展 不同程度的高溫范圍對(duì) PSⅡ 的影響是不同的，目前已有證據(jù)表明中等程度的高溫對(duì) PSⅡ 的傷害是可以逆轉(zhuǎn)的 , 高溫可導(dǎo)致 PSⅡ 的有活性中心轉(zhuǎn)化為無活性中心，然而嚴(yán)重高溫時(shí) PSⅡ 的損傷是不可逆的。 (1)光系統(tǒng) Ⅱ 供體側(cè) 一直以來， PSⅡ 被認(rèn)為是光合器官中對(duì)熱非常敏感的組分。不同植物以及不同環(huán)境條件下生長(zhǎng)的植物 PSⅡ 活性在高溫條件下的變化不同。 ◆ 在 35℃ 以下時(shí)，很多高等植物都表現(xiàn)穩(wěn)定的光合活性 。 ◆ 中度高溫 (35–40℃ )時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)引起放氧復(fù)合體顯著失活，當(dāng)降至適宜溫度時(shí)供體側(cè)的失活通常是可逆的； ◆ 嚴(yán)重高溫 (42–45℃ )時(shí)， PSⅡ 活性的不可逆失活可能與組成放氧復(fù)合體的多肽成分變性有關(guān)，放氧復(fù)合體的受抑引起膜蛋白 D1 或 D2 的結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)一步影響 QA 的固定，影響 PSⅡ 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 （ 2）光系統(tǒng) Ⅱ 受體側(cè) 研究表明高溫抑制 PS Ⅱ 受體側(cè)的電子傳遞，認(rèn)為高溫條件下受體側(cè)電子傳遞的抑制與 PSⅡ 原初電子受體 QA 的氧化還原電勢(shì)變化有關(guān)。 Pospisil等直接測(cè)定煙草 PSⅡ 受體側(cè) QA的氧化還原電勢(shì)，將離體類囊體加熱 (2℃ min1)從 25℃ 緩慢升溫到 50℃ ；在 32–45℃ 之間，放氧復(fù)合體活性開始受抑，而受體側(cè)還比較穩(wěn)定，更高的溫度時(shí)表現(xiàn)受抑。氧化還原滴定顯示 QA/ QA對(duì)的中點(diǎn)電勢(shì)上升，表明 QA 的還原能力降低，從 QA 向 QB 的電子傳遞受抑。推測(cè)這些變化可能是由熱誘導(dǎo)的跨膜 D D2 蛋白結(jié)構(gòu)變化引起的，同時(shí)這些結(jié)構(gòu)的變化也抑制放氧復(fù)合體的活性。 Wen等對(duì)藻青菌螺旋藻 PSⅡ 受體側(cè)的電子傳遞進(jìn)行研究， 通過快速的升溫與降溫處理進(jìn)一步論證了高溫誘發(fā) PSⅡ 受體側(cè)電子傳遞抑制是一個(gè)可逆過程。高溫降低 PQ和 QB結(jié)合位點(diǎn)的親和性，提高從 QA到 S2 態(tài)電子回流的可能性，抑制從QA到 QB 的電子傳遞。 （ 3） D1蛋白周轉(zhuǎn) 目前，人們普遍認(rèn)為高溫脅迫對(duì)光合機(jī)構(gòu)破壞的原初部位是光系統(tǒng) Ⅱ （ PSⅡ ），而光系統(tǒng) Ⅰ （ PSⅠ ）在高溫下比較穩(wěn)定。植物葉綠體的 PSⅡ 是一種多蛋白亞基構(gòu)成的復(fù)合體，在構(gòu)成 PSⅡ 的 30多種蛋白質(zhì)中， D1蛋白是最重要的一種，也是對(duì)逆境條件最敏感的一種。在正常的生長(zhǎng)環(huán)境中， D1蛋白的降解速率小于合成速率；而一旦暴露于強(qiáng)光下或強(qiáng)光與其他逆境交叉脅迫時(shí)， D1蛋白的降解速率就會(huì)超過合成速率，導(dǎo)致 PSⅡ 反應(yīng)中心的破壞。因此，維持高效率的 D1蛋白周轉(zhuǎn)是保護(hù)植物光合機(jī)構(gòu)，增加同化物供應(yīng)的關(guān)鍵。 水楊酸 (Salicylic acid)是植物體內(nèi)普遍存在的一種小分子酚類物質(zhì)，在 20世紀(jì) 60年代后，人們發(fā)現(xiàn) SA對(duì)植物生理過程包括氣孔開閉、種子萌發(fā)、離子吸收、產(chǎn)熱、開花、性別分化、乙烯合成等有重要調(diào)節(jié)作用，因而， SA被認(rèn)為是一類新的植物激素。 LopezDelgado等首次報(bào)道了 SA能提高馬鈴薯組織的抗熱性，其利用水楊酸缺失型擬南芥突變體的研究也進(jìn)一步證明 SA與植物抗熱性有關(guān)。我們課題組前期的研究表明，以適宜濃度的水楊酸預(yù)先處理灌漿期的小麥葉片，可有效防護(hù)高溫強(qiáng)光所致的氧化損傷，維持較高的 PSⅡ 原初光化學(xué)效率（ Fv/Fm）、 PSⅡ 電子傳遞速率（ Fm/Fo）、 PSⅡ 實(shí)際光化學(xué)效率（ Φ PSⅡ ）、光化學(xué)促滅系數(shù)（ qP）和凈光合速率（ Pn） [910]；其中處理濃度為 mmolL1 時(shí)保護(hù)效應(yīng)較大，但對(duì)其防護(hù)機(jī)理如何？ 已知蛋白質(zhì)的可逆磷酸化是植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的重要步驟，葉綠體 D1蛋白的周轉(zhuǎn)就與其可逆磷酸化密切相關(guān)。 Zhang等研究表明， SA可誘導(dǎo)煙草細(xì)胞中 48kD的蛋白激酶（ SIPK），經(jīng)過基因克隆和序列分析，它屬于分裂原激活蛋白激酶（ MAPK），參與了非生物脅迫的信息傳遞。高滲環(huán)境可以誘導(dǎo)擬南芥合成 SIPK，并誘導(dǎo)特異基因表達(dá)。這些研究結(jié)果表明，蛋白質(zhì)的可逆磷酸化在 SA誘導(dǎo)的植物抗逆性中具有至關(guān)重要的作用。外施 SA是否通過調(diào)節(jié) D1蛋白的磷酸化，從而影響 D1蛋白的周轉(zhuǎn)？因此，我們研究了高溫強(qiáng)光脅迫下小麥葉綠體 D1蛋白的變化及 SA的調(diào)節(jié)作用。 Table： Effect of pretreatment with salicylic acid on prorein kinase activity under various conditions of temperature and irradiance. Treatment Control W1 W2 Wr SA0 SA1 SA2 SAr Protein kinase activity (units/mg protein) 177。 177。 177。 4 177。 7 177。 177。 177。 177。 Percentage of control(%) 100 由圖可以看出，在高溫強(qiáng)光脅迫下，小麥旗葉 D1蛋白發(fā)生凈降解，脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，降解越多，暗恢復(fù)后， D1蛋白含量又有所回升。 定量分析結(jié)果（圖略）表明，葉面噴施 SA有效抑制了 D1蛋白含量的下降， W1比 CK下降 16%，而 SA1與 SA0相比，并無明顯變化。短時(shí)間脅迫下， SA處理可能緩解了 PSⅡ 反應(yīng)中心的不可逆失活，發(fā)生可逆失活，保護(hù)相鄰又相連的反應(yīng)中心免遭光溫破壞。 SA2比 SA1有所下降，但與 W2相比，仍提高了 38%，暗恢復(fù)時(shí)， SAr的 D1蛋白含量雖未恢復(fù)到 SA0水平，但仍比 Wr高 26%。 葉面噴施 SA穩(wěn)定并增加了高溫強(qiáng)光逆境下小麥葉片 D1蛋白磷酸化的水平，在高溫強(qiáng)光 2 h 時(shí)， SA預(yù)處理的植株 D1蛋白磷酸化水平均比水預(yù)處理高；在暗恢復(fù)時(shí)，已達(dá)到并超過 SA0水平，有利于 D1蛋白的高效修復(fù)和周轉(zhuǎn)。 D1 D1* 小麥葉片類囊體膜 D1蛋白 Western blotting圖譜 SA0 SA1 SA2 SA3 W2 W1 W3 Wr 表： 外源 SA對(duì)不同處理小麥葉片葉綠體電子傳遞速率的影響 處理 Treatment 全鏈電子傳遞速率 Wholechain electron transport rate (umol O2 mg1 h1) PSⅡ 電子傳遞速率 PSⅡ chain electron transport rate (umol O2 mg1 h1) 凈光合速率 Pn (umolm2s 1) CK 183177。 ab A 177。 a A 177。 ab A W1 177。 bc AB 177。 ab AB 177。 d B W2 177。 d C 177。 c C 177。 f C Wr 177。 c BC 177。 b B 177。 e C SA0 177。 a A 177。 a A 177。 a A SA1 177。 ab AB 177。 a AB 177。 bc AB SA2 177。 c BC 177。 b B 177。 cd B SAr 177。 ab A 177。 a A 177。 ab A 不同小、大寫字母分別表示差異達(dá) 5%和 1%顯著水平 Different small and capital letters meant significant difference at and level, respectively. 下同 The same below. 由表中結(jié)果可以看出 ， 高溫強(qiáng)光脅迫對(duì)小麥葉片光合機(jī)構(gòu)的損傷也表現(xiàn)在光合膜上全鏈電子傳遞速率 、 PSⅡ 電子傳遞速率及光合放氧速率上 。 其中光合膜上全鏈電子傳遞速率和 PSⅡ 電子傳遞速率變化趨勢(shì)一致 。 在高溫強(qiáng)光脅迫下 ，光合膜上電子傳遞受到明顯抑制 ， 噴水預(yù)處理在高溫強(qiáng)光