本文我們將回顧一下7月份德國WALZ調制葉綠素熒光儀參與發(fā)表的11篇高分文章，其中The Innovation、Journal of Nanobiotechnology、Water Research、Science Advances、Nature Communications 各1篇, The Plant Cell、The Plant Journal 、New Phytologist 各2篇。研究對象包含苔蘚、茶樹、濕地植物、藍藻、硅藻、擬南芥、苜蓿、柑橘、狗尾草等。德國WALZ制造的PAM調制葉綠素熒光儀及光合儀設計嚴謹，運行穩(wěn)定，功能完善，操作簡單，應用廣泛，國際學術界認可度高，在國際植物學研究領域遙遙領先~
1. The extremotolerant desert moss Syntrichia caninervis is a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments (The Innovation, IF=33.2)

在探索宇宙的征途中，人類對于在其他星球建立定居點的構想愈發(fā)具體。這些宏偉計劃往往聚焦于如何使農作物適應受控的人工環(huán)境，以確保食物供應的自給自足。然而，除了人工環(huán)境，我們同樣需要考慮如何在火星等外星環(huán)境的惡劣土壤中培育出能夠茁壯生長的先鋒植物。中科院新疆生地所研究員張道遠和張元明團隊聚焦于沙漠苔蘚——齒肋赤蘚（Syntrichia caninervis），揭示齒肋赤蘚的生存極限與適應策略。研究發(fā)現(xiàn)，齒肋赤蘚能夠耐受自身98%以上的細胞脫水、-196℃超低溫速凍、5000 Gy以上伽馬射線輻射而不死，且在火星模擬條件下仍可以存活并再生出新的植株。這一成果刷新了極端生命體對環(huán)境的“耐受”紀錄。相關成果于7月1日以封面文章的形式發(fā)表在The Innovation，標題為The extremotolerant desert moss Syntrichia caninervis is a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments。

在本研究中，研究團隊著眼于齒肋赤蘚，探索它在模擬火星環(huán)境中的生存和恢復能力。相關實驗結果表明，齒肋赤蘚不僅能在極度干燥和低溫環(huán)境中保持生命力，還能在強輻射和低氧環(huán)境中展現(xiàn)出驚人的適應能力。這些特性使得荒漠蘚成為未來火星綠化和生態(tài)系統(tǒng)建設的理想候選植物。撰寫這篇論文的過程中，研究人員通過科學研究和翔實數(shù)據(jù)，探明了齒肋赤蘚在極端環(huán)境下的生存能力，為火星定殖及生態(tài)重建提供一種可行的植物選擇。更重要的是，研究人員希望通過這項研究，激發(fā)更多科學家關注和探索地球上極端環(huán)境中的生物，尋找更多具有潛在應用價值的生命體，從而推動人類在太空探索和宜居星球方面取得更大的突破。這是一項跨越星際的科學探索，更是將科學與夢想相結合，創(chuàng)造未來地外理想新家園的嘗試。本研究中苔蘚在極端環(huán)境下光合生理活性相關的葉綠素熒光參數(shù)測量通過便攜式調制葉綠素熒光儀PAM-2500完成。

2. Zno nanoparticles: improving photosynthesis, shoot development, and phyllosphere microbiome composition in tea plants (Journal of Nanobiotechnology,  IF=10.6)

納米技術在農業(yè)領域具有革命性的潛力，氧化鋅納米顆粒(ZnO NPs)在促進作物生長方面顯示出優(yōu)勢。光合作用效率的提高與茶樹活力和品質的提高密切相關，與葉際微生物維持植株健康也有關。然而，ZnO NPs對茶樹光合作用、新梢萌發(fā)和葉際微生物群落的影響還沒有得到充分的研究。7月2日，Journal of Nanobiotechnology在線發(fā)表了青島農業(yè)大學園藝學院范凱老師課題組題為Zno nanoparticles: improving photosynthesis, shoot development, and phyllosphere microbiome composition in tea plants的研究論文。文章揭示了ZnO NPs對茶樹光合作用和新梢發(fā)育的積極影響，并且對茶樹葉際附生微生物群落和葉際內生微生物群落起到了一定的改善作用。

該研究通過對ZnO NPs處理后的茶樹光合生理參數(shù)和新梢萌發(fā)率進行測定，發(fā)現(xiàn)ZnO NPs能提高茶樹的光合速率并對茶芽發(fā)育起到了促進作用�；�于上述發(fā)現(xiàn)，該研究進一步表明在ZnO NPs的影響下，茶樹葉片中的RubisCO等關鍵光合酶含量和葉綠素含量顯著增加，對葉綠素熒光參數(shù)也起到了一定的改善作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在ZnO NPs的影響下，Photosynthesis - antenna proteins通路中有顯著性差異的基因全部上調表達，上調的基因中主要調控的是LHC（Lhca2、Lhca4、Lhca5、Lhcb1、Lhcb2、Lhcb3和Lhcb6）家族。有趣的是，與光合作用息息相關的Starch and sucrose metabolism通路中Sucrose、D-Glucose-6P、D-Fructose-6P、D-Glucose-6P等差異代謝物含量均顯著提高。WGCNA和O2PLS分析也驗證了上述結論。與此同時，在兩種濃度ZnO NPs影響下，內源生長素含量均顯著提高，這些可能是促進茶樹新梢發(fā)育的內在動力。該研究還發(fā)現(xiàn)ZnO NPs會對茶樹葉片和新梢中的礦質元素含量造成一定的影響，葉片中鋅元素、鉬元素、銅元素含量顯著增加；新梢中的鋅元素含量并沒有增加，但在較低濃度下，對人體有益的硒元素和鐵元素含量顯著增加。與此同時，該研究還發(fā)現(xiàn)ZnO NPs的使用對茶樹葉際附生微生物和內生微生物的群落結構具有改善作用，許多有益微生物成為優(yōu)勢種群并且對有潛在致病性的植物病原菌有一定的抑制作用，這可能與ZnO NPs的殺菌特性有關。例如，使用ZnO NPs后，附生芽孢桿菌成為優(yōu)勢種群。芽孢桿菌是一種有益的葉際微生物，通過多種機制促進植物生長和光合作用，同時還有促進植物抵御非生物脅迫的作用。

該研究為ZnO NPs改善茶樹生長提供新的見解。這些發(fā)現(xiàn)為ZnO NPs在農業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的應用提供了新的科學依據(jù)，有助于推動納米生物技術在提高作物產量和品質方面的研究。本研究中茶樹葉片光合生理活性相關的葉綠素熒光參數(shù)，如Fv/Fm，ETR，qP，Y(Ⅱ)的測量通過葉綠素熒光成像系統(tǒng)IMAGING-PAM完成。

3. Biotic/Abiotic Transformation Mechanisms of Phenanthrene in Iron-rich Constructed Wetland under Redox Fluctuation (Water Research, IF=11.4)

富鐵基質人工濕地(constructed wetlands, CWs)由于成本低等優(yōu)點被廣泛應用于再生水回用領域，它可通過生物和非生物途徑實現(xiàn)微量有機污染物的高效去除。不幸的是，對于富鐵基質CW中促進羥基自由基（•OH）形成和確保多環(huán)芳烴（PAHs）安全轉化的必需活性鐵種類，特別是在長期運行的CWs中，仍然存在研究空白。此外，富鐵基質CW實現(xiàn)PAHs安全轉化的生物和非生物途徑之間的耦合關聯(lián)和機制仍然是一個研究空白。7月2日，Water Research在線發(fā)表山東大學環(huán)境科學與工程學院胡振教授課題組題為Biotic/Abiotic Transformation Mechanisms of Phenanthrene in Iron-rich Constructed Wetland under Redox Fluctuation的研究論文。文章對富鐵基質CW在不同氧化還原條件下對菲（Phenanthrene）轉化過程進行了探索。利用Mössbauer光譜分析技術闡明了參與•OH生成的關鍵活性鐵物種，利用宏基因組學技術闡明了菲在富鐵CW中的生物轉化機制。最后，通過冗余分析（RDA）和偏最小二乘路徑建模（PLS-PM）揭示了生物/非生物轉化機制對菲轉化的貢獻及其關聯(lián)關系。

在本研究中，研究人員構建三個CW（即CW-A: 對照；CW-B:富鐵基質CW；CW-C:富鐵基質CW + 潮汐流），通過Mössbauer光譜和宏基因組學研究菲的轉化機制。結果表明，通過優(yōu)化的降解途徑，CW-C實現(xiàn)了最高的菲去除率（94.0%）和發(fā)光細菌毒性降低率（92.1%），實現(xiàn)了菲的安全轉化。表面結合/低結晶態(tài)鐵主要調節(jié)•OH的產生，而CW-C中實現(xiàn)了表面結合/低結晶態(tài)鐵的高效利用，提高了電子傳遞能力。電子傳遞能力的增強也導致CW-C中多環(huán)芳烴降解微生物和關鍵物種的富集。此外，在CW-C中，菲轉化酶（如EC:1.14.12.-）和三羧酸循環(huán)酶（如EC:2.3.3.1）的豐度均上調。進一步分析表明，菲的安全轉化主要是由于非生物和生物機制在CW-C中的協(xié)同作用，兩者的作用相似。相關的研究揭示了活性鐵在菲的安全轉化中的重要作用，為富鐵基質CW提高污染物去除性能提供了新見解。本研究中，人工濕地植物光合活性相關的最大光化學效率通過基礎款調制葉綠素熒光儀JUNIOR-PAM測量完成。

4. A global transcriptional activator involved in the iron homeostasis in cyanobacteria (Science Advances, IF=11.7)
海洋缺鐵限制了全球約三分之一海域的初級生產力，是藍藻等海洋初級生產者面臨的重要挑戰(zhàn)。藍藻作為地球上最古老的光合放氧微生物，廣泛分布于寡營養(yǎng)的缺鐵海域，其高效而獨特的缺鐵適應機制備受關注。目前，關于藍藻缺鐵的生理響應和鐵吸收機制已有較多研究，然而藍藻響應缺鐵的信號轉導機制尚不清楚。其中，全局性轉錄抑制因子FurA作為調控藍藻缺鐵信號的關鍵負調控因子，在鐵量充足時與鐵結合，抑制鐵吸收基因轉錄；鐵缺乏時，則與鐵解離，解除抑制，允許這些基因轉錄。但其解除抑制后，是否還需其他轉錄因子促進鐵吸收基因表達尚不清楚。2024年7月3日，Science Advances在線發(fā)表了寧波大學海洋學院姜海波教授團隊題為“A global transcriptional activator involved in the iron homeostasis in cyanobacteria”的研究論文。文章揭示了一個全局性轉錄激活因子參與藍藻鐵穩(wěn)態(tài)的調控機制。該研究在模式藍藻集胞藻PCC6803中，利用Hi-C和RNA-seq鑒定了一個新的全局性轉錄激活因子IutR（Iron Uptake–related Transcriptional Regulator），并且通過EMSA、酵母單雜和ChIP-seq等實驗，確證IutR可以結合到與鐵吸收相關的基因啟動子上，不僅調控鐵吸收過程，還參與調控許多其他與細胞內鐵穩(wěn)態(tài)有關的生理過程。該研究表明，藍藻的缺鐵信號響應不僅依賴于FurA轉錄抑制的解除，更依賴于IutR的轉錄激活。
研究團隊利用Hi-C分析集胞藻在鐵充足和缺鐵條件下的三維基因組結構，發(fā)現(xiàn)基因互作頻率發(fā)生顯著變化。缺鐵條件下，集胞藻基因組上0.1M區(qū)域的互作強度明顯增加；CID邊界發(fā)生調整，影響眾多參與細胞代謝、細胞通訊、離子結合及受體活性等功能的基因。為了深入分析三維染色體結構與基因表達在不同鐵水平下的關聯(lián)，該研究進一步結合缺鐵條件下的轉錄組分析發(fā)現(xiàn)，上述互作頻率顯著增強的0.1M區(qū)域是藍藻缺鐵響應基因分布密集區(qū)，包括IutR在內的眾多基因分布于該區(qū)域，并且均在缺鐵時顯著上調表達，預示著這些基因很可能參與藍藻的缺鐵適應過程。研究團隊通過對三個同源iutR基因的單敲除和組合三敲除，發(fā)現(xiàn)組合三敲除的藻株對缺鐵條件極為敏感，多個生理表型在缺鐵條件下與野生型表現(xiàn)出顯著差異，但在鐵充足時與野生型沒有差別，將IutR重新回補到突變株中可以恢復至野生型的生理表型，表明IutR的缺失突變是藍藻缺鐵敏感的主要原因。與此同時，qRT-PCR結果表明，突變株中鐵吸收相關基因喪失了受缺鐵誘導上調表達的能力，說明突變株的缺鐵信號轉導過程受到嚴重影響。隨后，該研究利用轉錄因子和DNA互作實驗（EMSA和酵母單雜交）證明，IutR蛋白能夠結合并調控包括TonB依賴性鐵轉運系統(tǒng)在內的多個鐵吸收相關基因啟動子序列。通過ChIP-seq實驗，研究不僅鑒定了IutR結合的DNA序列特征，還預測了全基因組中IutR可能調控的靶基因，包括Fe³⁺吸收轉運蛋白FutABC、Fec家族、isiB、ftr1及FurA等。此外，RT-qPCR和EMSA實驗進一步確認了所預測的啟動子序列可以被IutR蛋白結合，并且這些基因的轉錄水平受到IutR的顯著調控。

該研究較深入地揭示了藍藻復雜的缺鐵信號調控網絡，為理解藍藻適應缺鐵環(huán)境并調控胞內鐵穩(wěn)態(tài)的內在機制提供了新視角：在環(huán)境鐵濃度充足時， FurA與Fe²⁺結合并發(fā)揮轉錄抑制功能，鐵吸收相關基因不表達或低表達；當細胞處于缺鐵環(huán)境時，Fe²⁺與FurA解離，F(xiàn)urA的轉錄抑制功能被解除；此時轉錄激活因子IutR被激活，它進一步結合到鐵吸收相關基因的啟動子上，激活細胞鐵吸收以及低鐵適應相關基因的表達，以應對低鐵環(huán)境。本研究中，藻類光合電子傳遞速率通過藻類熒光儀WATER-PAM測量。

5. A rapid aureochrome opto-switch enables diatom acclimation to dynamic light (Nature Communications, IF=14.7)

在地球上，光合作用的藻類是海洋生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的一部分，尤其是數(shù)量眾多、主要分布在近海區(qū)域的硅藻，它們貢獻了全球約20%的初級生產力。硅藻不僅作為重要的碳匯，還是多種高價值營養(yǎng)補充劑的來源，例如巖藻黃素。因此，深入理解硅藻生態(tài)成功背后的分子機制，對于生物地球化學循環(huán)和經濟價值具有深遠的意義。硅藻擁有獨特的光合作用特性，能夠高效捕獲水下常見的藍綠光。若能將這一特性應用于作物，將有助于填補光譜利用中的"綠色缺口"。然而，硅藻在近海環(huán)境中經常面臨光照強度的劇烈變化，這對其光合作用系統(tǒng)可能構成損害。目前，硅藻如何適應這種環(huán)境壓力的具體調節(jié)因子和機制尚不完全清楚。

光合作用中的非光化學淬滅（NPQ）是一種廣泛保守的防止光損傷的策略，涉及將過剩光能轉化為熱能。其中，能量依賴性淬滅（qE）是光合真核生物NPQ的短期組分，涉及去氧化黃酮素類胡蘿卜素和效應蛋白的協(xié)同作用。值得注意的是，最初在綠藻中發(fā)現(xiàn)的LI818蛋白在親緣關系較近的維管植物中不存在，而在關系較遠的硅藻中卻存在，它們在硅藻中被稱為LHCX蛋白。海岸硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的基因組中編碼了多種光感受器，其中包括感知藍光的aureochrome家族成員AUREO1a、AUREO1b和AUREO1c。這些aureochromes含有光-氧-電壓（LOV）結構域和bZIP轉錄因子結構域，能夠介導光誘導的轉錄調控。2024年7月3日，Nature Communications在線發(fā)表了西湖大學李小波教授團隊題為A rapid aureochrome opto-switch enables diatom acclimation to dynamic light的研究論文。文章通過結合CRISPR/Cas9、生化、細胞生物學和多組學方法，揭示了硅藻中的藍光感受器AUREO1c是強光下光保護和光合作用相關基因的重要且特異性調控因子。

首先，研究人員通過CRISPR/Cas9技術對AUREO1a、AUREO1b和AUREO1c進行了突變，并選擇了每個基因的三個突變體進行進一步的表征。在標準光照條件下（growth light, GL）生長時，所有突變體在外觀和生理參數(shù)上都與野生型相似。在極高光照（very high light, VHL）條件下，aureo1c-1細胞出現(xiàn)漂白現(xiàn)象，而aureo1a-1和aureo1b-1突變體則沒有。而在較低光照強度下，aureo1c突變體的Fv/Fm比和NPQ都較低。在aureo1c-1突變體背景的互補株（COMP）中，表達了AUREO1c-GFP融合蛋白，而LHCX2/3表達、NPQ和Fv/Fm比也得以恢復，并顯示出對極高光照的耐受性。由此得出結論，AUREO1c是P. tricornutum在遭受高光照射后，NPQ響應和存活所必需的關鍵調節(jié)因子。研究還發(fā)現(xiàn)，AUREO1c的定位并不受光照水平的影響，但其構象可能會發(fā)生變化。為了了解AUREO1c是否與藍光信號相關，該研究比較了aureo1c-1突變體和野生型細胞在不同光照條件下的轉錄組，包括生長光（GL）、高白光（HWL）、高紅光（HRL）和高藍光（HBL）。結果顯示，AUREO1c在高藍光下是一個位于細胞核的傳感器。

進一步研究表明，AUREO1c蛋白利用LOV結構域探測光照壓力，并通過其bZIP DNA結合域直接激活靶基因（包括編碼NPQ效應蛋白的LI818基因）的表達。與在淡水綠藻——萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中報告的激酶介導的途徑相比，AUREO1c途徑展現(xiàn)出了更快的響應速度，并能夠在連續(xù)高光照和波動光照處理下，使LI818的轉錄本和蛋白水平累積到相當?shù)某潭取?/span>

綜上所述，該研究揭示了藍光感受器PtAUREO1c是強光下光保護和光合作用相關基因的重要且特異性調控因子。在不同的光照強度下，PtAUREO1c感知藍光并即時激活兩個LHCX基因的轉錄，這個途徑在硅藻適應長期高光和快速波動光環(huán)境中非常重要。硅藻的光保護機制是一個復雜的過程，這項研究為我們提供了深入理解這一機制的機會，并為未來的應用研究奠定了基礎。隨著對這些機制的進一步研究，我們有望開發(fā)出新的策略來提高作物的光能利用效率和環(huán)境適應性。本研究中藻類光合生理活性相關的葉綠素熒光數(shù)據(jù)通過葉綠素熒光成像系統(tǒng)IMAGING-PAM和雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100完成。

6. RESISTANCE TO PHYTOPHTHORA1 promotes cytochrome b₅₅₉ formation during early photosystem II biogenesis in Arabidopsis (The Plant Cell, IF=10.0)

作為所有含氧光合生物光系統(tǒng)II(PSII)的核心組成部分，細胞色素b₅₅₉(Cyt b₅₅₉)在PSII的保護和組裝過程中扮演著至關重要的角色，但是Cyt b₅₅₉的組裝機制尚未完全明了。2024年7月4日，The Plant Cell在線發(fā)表上海師范大學彭連偉教授課題組題為RESISTANCE TO PHYTOPHTHORA1 promotes cytochrome b₅₅₉ formation during early photosystem II biogenesis in Arabidopsis的研究文章。

本研究深入探討了擬南芥(Arabidopsis thaliana)中的rph1突變體。研究發(fā)現(xiàn)，RPH1基因的缺失導致PSII的積累顯著減少，這一現(xiàn)象主要歸因于Cyt b₅₅₉的合成缺陷。通過光譜分析，研究人員觀察到從rph1突變體中分離出的PSII超級復合物中血紅素的含量明顯降低，這表明RPH1在Cyt b₅₅₉中血紅素的正常組裝過程中發(fā)揮著促進作用。
此外，rph1突變體在光抑制條件下表現(xiàn)出對光的高度敏感性，并在這些條件下積累了較高水平的活性氧（ROS）。RPH1是一種在綠藻和陸生植物中廣泛存在的保守類囊體蛋白，但在藍藻Synechocystis中并未發(fā)現(xiàn)其存在。RPH1直接與Cyt b₅₅₉的亞基相互作用，表明其在葉綠體中發(fā)揮著關鍵作用。因此，相關的研究結果表明，RPH1是一種專門促進Cyt b₅₅₉有效組裝的葉綠體獲取物，可能通過在PSII生物合成的早期階段介導血紅素的正確插入到apo-Cyt b₅₅₉中實現(xiàn)其功能。本研究中，擬南芥光合生理活性相關的葉綠素熒光數(shù)據(jù)通過葉綠素熒光成像系統(tǒng)IMAGING-PAM和便攜式調制葉綠素熒光儀PAM-2500完成。

7. A cargo sorting receptor mediates chloroplast protein trafficking through the secretory pathway (The Plant Cell, IF=10.0)

細胞核編碼的葉綠體蛋白通過一種尚未完全明了的分子機制在細胞內不同區(qū)室間進行運輸。傳統(tǒng)上，人們并未在分泌途徑中識別出負責貨物分選的特定受體。2024年7月4日，The Plant Cell在線發(fā)表中國農業(yè)大學董江麗教授課題組題為A cargo sorting receptor mediates chloroplast protein trafficking through the secretory pathway的研究文章。文章的最新研究揭示了一種特殊的貨物分選受體（cargo sorting receptor），它在病毒植物中具有特異性，并在將貨物蛋白定向到葉綠體的過程中發(fā)揮關鍵作用。

通過正向遺傳學方法，研究人員在蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中鑒定了一個基因，該基因編碼一種跨膜蛋白，命名為MtTP930。MtTP930基因的突變導致葉綠體功能下降和植株生長受限。MtTP930在植物的地上部分表達量較高，并且定位于內質網出口位點（ERES）和高爾基體。它含有典型的貨物分選受體結構域，能夠與Sar1、Sec12和Sec24等蛋白相互作用，參與COPII囊泡的運輸過程。

尤為關鍵的是，MtTP930能夠識別內質網中的特定貨物蛋白，包括N-糖基化核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶（MtNPP）和α-碳酸酐酶（MtCAH），并通過分泌途徑將這些蛋白有效地運輸?shù)饺~綠體。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，MtTP930的同源基因發(fā)生突變也會導致類似的矮小表型。此外，當MtNPP-GFP在Attp930突變體的原生質體中表達時，未能成功定位到葉綠體，這表明這些貨物分選受體在植物中具有保守性。

這些突破性的發(fā)現(xiàn)不僅增進了我們對葉綠體蛋白在分泌途徑中的分選和運輸機制的理解，而且為進一步探索植物細胞內蛋白質運輸?shù)膹碗s性提供了新的視角。本研究中，苜蓿光合生理活性相關的葉綠素熒光數(shù)據(jù)通過超便攜式調制葉綠素熒光儀MINI-PAM-II測量獲得，擬南芥野生型和突變體的表型通過葉綠素熒光成像系統(tǒng)IMAGING-PAM測量完成。

8. The transcription factor ERF110 promotes cold tolerance by directly regulating sugar and sterol biosynthesis in citrus (The Plant Journal, IF=6.2)

寒冷脅迫是影響植物生長和產量的關鍵環(huán)境因素。研究表明，乙烯響應因子（ERFs）在植物應對寒冷脅迫的信號轉導過程中發(fā)揮重要作用。然而，大多數(shù)ERFs的調控機制及其靶基因尚未被充分揭示。2024年7月10日，華中農業(yè)大學園藝植物生物學教育部重點實驗室劉繼紅教授團隊在The Plant Journal發(fā)表題為The transcription factor ERF110 promotes cold tolerance by directly regulating sugar and sterol biosynthesis in citrus的研究論文，該研究揭示了PtrERF110通過直接調控糖和固醇的生物合成增強了柑橘的抗寒性的分子機制。枳（Poncirus trifoliata (L.) Raf.）是柑橘上最常用的砧木，抗寒性較強，是研究低溫應答的重要柑橘資源。本研究中，研究人員從枳中鑒定出一種受寒冷誘導的ERF，命名為PtrERF110。PtrERF110是一種具有轉錄激活活性的核蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，PtrERF110的過表達顯著增強了檸檬（Citrus limon）和煙草（Nicotiana tabacum）的耐寒性，而病毒誘導的基因沉默（virus induced gene silencing，VIGS）介導的PtrERF110敲低則大大削弱了耐寒性。RNA序列分析表明，PtrERF110過表達導致一系列應激反應基因的整體轉錄重編程。其中三個基因，包括PtrERD6L16（early responsive dehydration 6-like transporters）、PtrSPS4（sucrose phosphate synthase 4）和PtrUGT80B1（UDP-glucose: sterol glycosyltransferases 80B1），被證實為 PtrERF110 的直接靶標。此外，與野生型植物相比，PtrERF110過表達植物始終表現(xiàn)出更高的糖和甾醇水平，而 VIGS植物則呈現(xiàn)相反趨勢。外源蔗糖供應恢復了PtrERF110沉默植物的抗寒性。此外，PtrSPS4、PtrERD6L16和PtrUGT80B1的敲低顯著削弱了枳的抗寒性。

綜上所述，該研究結果表明PtrERF110 通過轉錄激活PtrERD6L16、PtrSPS4和PtrUGT80B1直接調節(jié)糖和甾醇的合成，從而正向調節(jié)抗寒性。本研究揭示的調控模塊 (ERF110-ERD6L16/SPS4/UGT80B1) 有助于我們了解植物在寒冷脅迫下糖和甾醇積累的分子機制。本研究中，柑橘植物葉片冷脅迫下光合生理活性相關的葉綠素熒光數(shù)據(jù)通過超葉綠素熒光成像系統(tǒng)IMAGING-PAM測量完成。

9. Strong heterologous electron sink outcompetes alternative electron transport pathways in photosynthesis (The Plant Journal, IF=6.2)

含氧光合作用由水的光氧化作用驅動，釋放出的電子最終用于產生光合還原劑 NADPH，以進行碳固定和新陳代謝�？扇苄噪娮虞d體蛋白鐵氧化還原蛋白（Fd）是光合作用的電子分布樞紐。然而，人們對決定 Fd 電子去向的因素仍然知之甚少。要了解光合生物如何平衡光反應、碳固定和下游細胞新陳代謝以應對不斷變化的環(huán)境條件，并合理利用光合微生物作為綠色細胞工廠進行可持續(xù)生物生產，就必須闡明這一點。

圖注：在模式藍藻Synechocystis sp. PCC 6803中，光合電子傳遞鏈(PETC)與來自鐵氧還蛋白(Fd)的電子分布構成了其光合作用的核心機制。

(a)PETC的簡化模型。在藍藻的PETC中，光系統(tǒng)I和II(即PSI和PSII)發(fā)揮著關鍵作用，與細胞色素b₆f復合體(Cyt b₆f)、質藍素(Pc)、細胞色素c₆(在銅缺乏條件下表達)以及鐵氧還蛋白(Fd)共同協(xié)作。線性電子傳遞(LET)的最終步驟涉及鐵氧還蛋白-NAD(P)H氧化還原酶(FNR)，它將NADP⁺還原為NADPH，后者隨后被卡爾文-本森-巴薩姆(CBB)循環(huán)和其他代謝途徑所利用。由此產生的質子動力勢(pmf)驅動ATP的合成。此外，PSI周圍的循環(huán)電子傳遞(CET)由NADH脫氫酶樣復合體(NDH-1)介導。RTO細胞色素bd醌氧化酶(Cyd)和aa3型細胞色素c氧化酶(COX)負責將氧氣(O₂)還原為水。值得注意的是，在被子植物、紅藻和褐藻中，黃二鐵蛋白(FDPs)作為波動光照下的關鍵光保護機制，已經退化。

(b) Fd的電子分布。Fd_red作為多種途徑的電子供體，其中Flv1/3和Flv2/4異源構象中的FDPs執(zhí)行類似Mehler反應的功能，將O₂還原為水。由NDH-1介導的CET將電子從Fd重新輸送回PQ池。雙向氫酶(Hox)參與氫代謝，而硫氧還蛋白(Trx)調節(jié)系統(tǒng)則對CBB酶的光激活等進行精細調控。其他涉及Fd的途徑包括phycocyanobilin：ferredoxin氧化還原酶(PcyA)、ferredoxin依賴性谷氨酸合成酶(GlsF、GOGAT)、ferredoxin-亞硫酸鹽還原酶(Sir)、硝酸鹽還原酶(NarB)和亞硝酸鹽還原酶(NirA)。

(c) Synechocystis sp. PCC 6803表達NAD(P)H接受黃素依賴性氧化還原酶YqjM(Syn::YqjM)的基因。

2024年7月15日，The Plant Journal發(fā)表署名單位為芬蘭圖爾庫大學題為Strong heterologous electron sink outcompetes alternative electron transport pathways in photosynthesis的研究論文，文章應用一系列最先進的生物物理和生物化學技術，深入研究了表達烯還原酶異源基因 YqjM 的工程藍藻 Synechocystis sp. 這種重組酶利用光合作用產生的 NAD(P)H 將外源添加的底物催化還原成所需的產物，從而實現(xiàn)全細胞生物轉化。通過將生物轉化反應與生物物理測量相結合，相關研究證明了強大的人工電子匯能夠競爭天然電子閥、黃二鐵蛋白驅動的梅勒樣反應和循環(huán)電子傳遞。這些結果表明，鐵氧還蛋白-NAD(P)H-氧化還原酶是從還原鐵氧還蛋白中輸送光合電子的首選途徑，而細胞中的 NADPH/NADP⁺比率是協(xié)調光合電子通量的關鍵因素。這些見解對于了解光合電子傳遞的分子機制以及通過細胞源/匯平衡工程來利用光合作用進行可持續(xù)生物生產至關重要。此外，我研究人員還得出結論，識別異源電子匯的生物能瓶頸是有針對性地設計光合生物轉化平臺的重要前提。本研究中藍藻光合生理活性相關的葉綠素熒光，差示吸收數(shù)據(jù)通過雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100完成；NADPH熒光則由雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100的NADPH/9AA模塊完成；Pc, P700和Fd的氧化還原狀態(tài)數(shù)據(jù)通過四通道動態(tài)LED陣列近紅外光譜儀DUAL-KLAS-NIR(DKN)測量完成；環(huán)式電子傳遞鏈的量化同樣由DKN系統(tǒng)完成。

10. Chloroplast NADH dehydrogenase-like complex-mediated cyclic electron flow is the main electron transport route in C₄ bundle sheath cells (New Phytologist, IF=8.3)

C₄植物通常具有卓越的光能、水分和氮素利用效率，這些特性使它們在溫暖氣候條件下比C₃植物具有更強的生長優(yōu)勢。C₄循環(huán)作為一種高效的生化CO₂濃縮機制，在葉肉細胞和維管束鞘(BS)細胞間發(fā)揮作用。這一過程有效提升了BS細胞中的CO₂分壓，為核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)和卡爾文-本森-巴塞爾循環(huán)(C₃循環(huán))的其他酶提供了更為豐富的CO₂環(huán)境。在BS葉綠體中，蘋果酸的脫羧作用不僅釋放出CO₂，還促使NADP+還原為NADPH，并生成丙酮酸。丙酮酸隨后返回葉肉細胞，并在那里被再生為PEP，從而閉合C₄循環(huán)。將C₃植物改造以實現(xiàn)C₄光合作用，被認為是提升作物產量的一種有希望的策略，這激發(fā)了人們嘗試將C₄光合作用途徑引入C₃植物水稻的努力。然而，由于我們對C₄光合作用分子機制的理解尚不完全，這些嘗試受到了一定程度的限制。在C₄植物中，電子傳遞反應需要為每個固定的CO₂分子提供至少兩個額外的ATP分子，以滿足C₄循環(huán)運作所需的PEP再生能量成本。即需要以 ATP 的形式輸入額外的能量。NADH脫氫酶樣復合體(NDH)在光系統(tǒng) I(PSI)周圍操作循環(huán)電子流(CEF)對C₄光合作用非常重要，但CEF和NDH對細胞級電子通量的貢獻仍然未知。2024年7月22日，New Phytologist在線發(fā)表澳大利亞國立大學Maria Ermakova等人標題為Chloroplast NADH dehydrogenase-like complex-mediated cyclic electron flow is the main electron transport route in C₄ bundle sheath cells的研究文章，文章旨在識別能夠產生這些額外ATP的電子傳遞途徑。研究發(fā)現(xiàn)NDH介導的環(huán)式電子傳遞是C₄植物維管束鞘細胞中主要的電子傳遞途徑。

研究團隊首先使用CRISPR/Cas9基因編輯技術在狗尾草(Setaria viridis)中創(chuàng)建了ndhO的突變體。這些狗尾草突變體具有缺乏功能性NDH的ndhO等位基因，并開發(fā)了量化BS和葉肉細胞中通過NDH的電子流的方法。相關結果表明，CEF占BS細胞中PSI還原電子的84%，其中大部分電子通過NDH傳遞，而葉肉細胞中該復合體對電子傳遞的貢獻微乎其微。缺乏NDH的植物葉片CO₂同化率和生長速度下降，無法通過提供額外的CO₂來挽救。此外，NDH介導的CEF是BS葉綠體中主要的電子傳遞途徑，這凸顯了NDH在BS細胞中產生C₃循環(huán)固定CO₂所需的ATP方面的重要作用。

總之，該研究為理解C₄光合作用的分子機制提供了重要見解，并為將C₄光合作用引入C₃植物以提高作物生產力提供了潛在的策略。本研究中，分離出來的維管束鞘細胞的P700測量由PAM-101完成，葉綠素熒光和P700差示吸收光譜通過雙通道熒光儀DUAL-PAM-100完成，跨類囊體膜質子動力勢則通過P515/535模塊完成。

11. Mitochondrial respiration is essential for photosynthesis - dependent ATP supply of the plant cytosol (New Phytologist, IF=8.3)

2024年7月28日，New Phytologist發(fā)表了意大利帕多瓦大學Tomas Morosinotto等人題為“Mitochondrial respiration is essential for photosynthesis - dependent ATP supply of the plant cytosol”的研究文章，報道了關于線粒體呼吸對植物細胞質中ATP供應重要性的研究。本研究旨在解決為何線粒體呼吸在植物中必不可少的問題，具體區(qū)分兩種假設：（i）線粒體呼吸是必需的，因為需要維持異養(yǎng)細胞以及光合作用不存在的異養(yǎng)發(fā)育階段；（ii）線粒體呼吸對于光合作用存在時細胞內ATP供應至關重要。Tomas Morosinotto等人選擇小立碗蘚（Physcomitrium patens）作為研究材料（因為它在整個發(fā)育過程中都是光自養(yǎng)的，從而能夠分離出在其他植物中不可行的突變體），通過在小立碗蘚中使用生物傳感策略，檢測了細胞質ATP濃度對光的響應變化。研究結果顯示，光合作用驅動了細胞質中ATP濃度的增加，而線粒體呼吸有助于維持細胞質中ATP的穩(wěn)定供應。在光照變化的條件下，植物細胞能夠通過線粒體呼吸來穩(wěn)定細胞質ATP水平，使其不受光照波動的影響，從而維持細胞的關鍵生理功能；復合體V缺陷突變體fAd的生長嚴重受阻，但光合活性僅有輕微改變，表明盡管葉綠體途徑肯定對細胞內ATP供應有貢獻，但當線粒體功能受損時，葉綠體無法完全補償線粒體失活對細胞質ATP供應的影響，進一步強調了線粒體呼吸在細胞質ATP供應中的關鍵和主導作用。本研究中葉綠素熒光相關參數(shù)通過雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100完成。

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