綠色植物的葉綠素主要由葉綠素a和葉綠素b組成，是植物進(jìn)行光合作用的主要色素。葉綠素降解是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要多種酶的參與。在葉綠素循環(huán)中，Chl a被葉綠素a加氧酶轉(zhuǎn)化為Chl b，而Chl b被Chl b還原酶（NYC1和NOL）轉(zhuǎn)化為7-羥甲基-葉綠素a，激活葉綠素降解過(guò)程。STAY-GREEN蛋白從Chl-a中釋放出鎂，生成脫鎂素a。然后，在脫鎂葉綠素酶（PPH）的作用下，脫鎂素a被轉(zhuǎn)化為脫鎂葉綠酸a。最后，脫鎂葉綠酸a被PAO、RCCR和TIC55催化，生成葉綠素分解代謝物。

近年來(lái)，北京農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)中心滕珂課題組分別探究了結(jié)縷草三種葉綠素降解相關(guān)基因（ZjNYC1、ZjNOL和ZjPPH）在光合作用、葉綠素降解和衰老中的作用，此研究結(jié)果為今后的育種和遺傳改良提供理論基礎(chǔ)和參考。研究?jī)?nèi)容分別發(fā)表在Environmental and Experimental Botany和Frontiers in Plant Science雜志上。 

一、過(guò)表達(dá)ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均加速了葉綠素的降解和葉片衰老

在正常光照條件下，過(guò)表達(dá)ZjNYC1（line-82、line-100）、ZjPPH（PPH-3、PPH-7）和ZjNOL（line-10、line31）的轉(zhuǎn)基因擬南芥均出現(xiàn)了明顯的變黃現(xiàn)象（圖1）。與對(duì)照植株相比，轉(zhuǎn)基因植株的總?cè)~綠素含量和Chl b含量更少。此外，轉(zhuǎn)基因植株中ABA和過(guò)氧化氫的含量均高于對(duì)照植株。結(jié)果表明，ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL均促進(jìn)葉綠素降解，加速了葉片衰老過(guò)程。

圖1 過(guò)表達(dá)ZjNYC1、ZjPPH和ZjNOL擬南芥的表型和生理指標(biāo)

葉綠素?zé)晒馐侵参锷�物能學(xué)評(píng)價(jià)的敏感指標(biāo)。通過(guò)英國(guó)Hansatech生產(chǎn)的Handy PEA可以簡(jiǎn)單快速的獲取葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)，其中OJIP曲線可以更直觀地表現(xiàn)出差異，JIP-test則提供豐富的參數(shù)，由于其測(cè)定方便簡(jiǎn)單，逐漸成為科研工作者們研究光合作用原初光化學(xué)反應(yīng)的有力工具。
 

圖2 過(guò)表達(dá)ZjNYC轉(zhuǎn)基因株系的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線分析

過(guò)表達(dá)ZjPPH轉(zhuǎn)基因株系的O-J像高于對(duì)照組，表明轉(zhuǎn)基因植株中PSII受體側(cè)的電子傳遞受到抑制。轉(zhuǎn)基因株系的ΔVt曲線中L-band，K-band和H-band均為陽(yáng)性。L-Band陽(yáng)性表明天線色素復(fù)合體的解離。K峰的出現(xiàn)表示OEC失活。在本研究中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的H-band，說(shuō)明ZjPPH的表達(dá)對(duì)PSI和PSII之間的PQ池大小和電子轉(zhuǎn)導(dǎo)沒(méi)有顯著影響。陰性G-band意味著PSI受體池變大（圖4）。

轉(zhuǎn)基因株系中ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC均有所增加，但ETo/RC無(wú)明顯變化。這表明PSII反應(yīng)中心的電子傳遞效率降低。轉(zhuǎn)基因株系中ABS/CSm、TRo/CSm和ETo/CSm降低，而DIo/CSm升高。ABS/CSm、TRo/CSm和ETo/CSm的降低與非活性反應(yīng)中心的增加和PSII效率的抑制有關(guān)。DIo/CSm的增加反映了光能利用效率降低。ZjPPH抑制了PSII和PSI的效率，但PSII和PSI之間的電子傳遞沒(méi)有顯著影響。
 

圖5 ZjPPH調(diào)節(jié)光合作用和衰老模型圖

對(duì)照相比，過(guò)表達(dá)ZjNOL植株ΔVt曲線中發(fā)現(xiàn)L-band和K-band為陽(yáng)性，G-band為陰性。轉(zhuǎn)基因株系的K-band的正值和G-band的負(fù)值均顯著高于對(duì)照組。L-Band陽(yáng)性表明天線色素復(fù)合體的解離。K峰的出現(xiàn)表示OEC失活。轉(zhuǎn)基因株系的ABS/RC、TRo/RC增加，而ETo/RC和DIo/RC變化不大。同時(shí)，轉(zhuǎn)基因株系的ABS/CSm、TRo/CSm、ETo/CSm和DIo/CSm等參數(shù)均有所降低，這與非活性反應(yīng)中心密度的增加和PSII的活性抑制有關(guān)。陽(yáng)性G-band值表明PSI末端電子受體池相對(duì)較大（圖6）。作者認(rèn)為ZjNOL主要是通過(guò)損傷放氧復(fù)合體來(lái)抑制光合效率。
 

圖6 過(guò)表達(dá)ZjNOL轉(zhuǎn)基因株系的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線分析


圖7 ZjNOL調(diào)節(jié)光合作用和衰老模型圖