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中國農科院作科所解析水稻適應長期波動光的光合生理調控機制
在自然界中，由于太陽角度改變、云層運動、相鄰植物葉片遮擋以及葉片顫動等的影響，使得大田中光照強度通常處于頻繁的波動變化中（波動光）。目前多數(shù)研究集中在植物對波動光的短期響應，而有關大田作物對波動光的研究鮮有報道，特別是作物如何適應長期波動光的生理機制尚不清楚。
中國農業(yè)科學院作物科學研究所周文彬課題組與山東農業(yè)大學合作，通過系統(tǒng)分析恒定光與波動光條件下水稻的生長、光合生理和葉片解剖結構差異，發(fā)現(xiàn)光合電子傳遞、ATP合酶活性以及非光化學淬滅（NPQ）的調控是水稻適應波動光的重要生理過程。研究揭示了植物在波動光強下的光合調控生理機制，為作物在大田條件下光能高效利用提供了理論依據(jù)。
通過比較短期和長期波動光處理水稻植株，研究發(fā)現(xiàn)長期波動光處理降低了水稻植株的株高和生長速率。短期波動光處理主要抑制光系統(tǒng)I（PSI）活性，而光系統(tǒng)II（PSII）由于受到非光化學淬滅的保護受影響較小。隨著波動光處理時間的延長，PSBS蛋白表達增加，葉黃素循環(huán)組分玉米黃質大量積累，類囊體腔側的酸化（ΔpH）程度增加，共同誘導較高的非光化學淬滅。長期波動光處理使PSI受體側限制增加，而NPQ的增加降低了PSII的光化學效率，電子傳遞速率在PSI和PSII均下降，表明長期波動光處理使PSI和PSII活性均受到抑制。進一步研究表明，長期波動光處理使類囊體膜質子導度下降，說明ATP合酶活性下降。葉綠體超微結構觀察顯示長期波動光處理葉綠體類囊體基粒數(shù)增加而基粒厚度降低，免疫印跡分析表明光合相關蛋白積累均降低。通過葉片氣孔結構分析和光合氣體交換測定，發(fā)現(xiàn)長期波動光處理使氣孔導度下降主要是由于氣孔開度的減小，進一步限制了CO2的同化，終導致水稻生長受到抑制。該研究結果對于進一步提高水稻在大田波動光環(huán)境條件下的光合效率具有重要意義。
該研究成果于2020年11月20日在Plant, Cell & Environment 期刊在線發(fā)表。中國農科院作科所和山東農大聯(lián)合培養(yǎng)博士生衛(wèi)澤和作科所段鳳瑩博士為本文共同作者，中國農科院作科所周文彬研究員和山東農大宋憲亮教授為論文共同通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0300102）和中國農科院創(chuàng)新工程等項目的資助。