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SCIENCE ADVANCES|合成捕光聚合物材料可人工調控加速植物光合狀態轉換

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INTRODUCTION
人工調節PSI與PSII之間的狀態轉換,將是提高自然光合效率的一種巧妙和**前景的方法。在本研究中,作者發現一種合成的捕光聚合物[poly(boron-dipyrromethene-co-fluorene) (PBF)],該物質具有吸收綠光和發射遠紅光的特性,可以提高小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的PSI活性,進而進一步提高PSII活性以增強自然光合。

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在光反應中,PBF促進了光合電子傳遞速率120%,氧氣合成97%、ATP和NADPH的生成76%。對于暗反應,RuBisCO活性提高了1.5倍,而編碼RuBisCO的rbcL和編碼磷酸核酮糖激酶的prk的表達水平分別上調了2.6倍和1.5倍。
此外,擬南芥可吸收PBF,加速細胞有絲分裂,增強光合作用。通過提高自然光合的效率,合成集光聚合物材料在生物燃料生產中顯示出了廣闊的應用前景。
PBF augmentation of C. pyrenoidosa photosynthetic activity
小球藻是一種真核藻類,通過有氧光合作用從水和二氧化碳中產生氧氣和碳水化合物。放氧復合體(OEC)催化水的光解,將水裂解為質子(H+)、電子(e-)和氧氣(O2),進而使類囊體膜上產生質子梯度,并為光合電子傳遞鏈提供電子。通過對光反應產物O2、ATP和NADPH的定量分析,評價了PBF處理小球藻(C. pyrenoidosa/PBF)光合作用的增強效果。

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使用經典Clark-type液相氧電極測定系統(Chlorolab2+,Hansatech  Instruments Ltd)測定小球藻在300 μmol m2 s1光照單獨培育時,30min產氧量81.32nm,PBF幾乎不產氧。而同等條件下C. pyrenoidosa/PBF產氧量提升120%(179.72 nmol),表明添加PBF后,小球藻光合效率顯著提高(上圖B)。

在600、900、1200和1500 μmol m2 s1光照培養下,C. pyrenoidosa/PBF的產氧量分別比小球藻單獨培育產氧量提高了57%、29%、16%和12%。此外,添加PBF可使小球藻的NADPH產量增加76%,而不影響其NADP+的含量。PBF還使小球藻ATP含量增加97%,從而成功地提高了小球藻的光合效率(上圖D)。

State transition regulation PBF synergistical improvement of PSI and PSII activity

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如上圖在正常光照條件下,小球藻的捕光色素復合體LHC趨向處于一種向PSII和PSI均衡功能的中間態。PBF作為一種遠紅光發射材料,可吸收綠光并發射遠紅光給小球藻,進而被小球藻的PSI更多的吸收,這使得小球藻的PSI變的更加活躍。此時從PQ庫流出的電子流速度遠高于從P680流入PQ庫的速度,PSII的活性不足以為PSI提供充足的電子流。結果,PQ被氧化使LHCII激酶失活,但激活了磷酸酶。因此,磷酸化的LHCII被磷酸酶脫磷,并與PSI斷開連接以加入PSII。狀態轉變現象表明PBF增強了PSI的活性,進而進一步提高了PSII的活性。

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為了進一步探究PBF處理的小球藻在光能吸收、捕獲和電子傳遞中的促進效應,使用植物效率分析儀藻類套裝(Handy PEA+, Hansatech  Instruments Ltd)測定小球藻葉綠素熒光瞬時誘導動力學曲線(OJIP),結果如下圖。

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PBF培養的小球藻在光能的吸收(ABS/RC、ABS/CSm)、捕獲(TRo/RC、TRo/CSm)、電子傳遞效率(ETo/RC、ETo/CSm)都有顯著性提高。電子傳遞至PSI受體側末端電子受體使其還原的概率(REo/RC、REo/CSm)同樣大幅上升。綜合性指標PIabs和PItotal也明顯升高,是小球藻光合活力的強有力證明。PBF共同孵育后,小球藻Sm增大,表明小球藻PQ庫尺寸增大,更多的電子由PQ庫流入電子傳遞鏈,這與77K熒光測定結果一致。

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利用FMS-2型脈沖調制熒光儀(FMS2+, Hansatech  Instruments Ltd)測定了光適應下小球藻的葉綠素熒光曲線,以確定天線色素吸收光能后光化學反應和非光化學反應能量分配的具體情況。在試驗條件下,如下圖,PBF共同孵育后,實際光化學效率(ΦPSII)提高了16%,說明PSII吸收的更多比例的光能轉化為了光化學能。同時表征光合機構光吸收比率的光化學淬滅系數(qP)提高了5%,而非光化學淬滅(qNP,熱耗散)損失降低了21%,此外電子傳遞速率(ETR)提高了16%。
總之,PBF提高了光合機構在光吸收、捕獲、利用和電子傳遞等方面的工作效率。

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PBF acceleration of light-independent reactions  for C. pyrenoidosa

PBF augmentation of A. thaliana photosynthetic activity

作者進一步研究了參與暗反應各種關鍵酶的活性及調控情況,并探討了PBF在高等植物擬南芥光合作用中的應用。RuBisCO活性提高了1.5倍,而編碼RuBisCO的rbcL和編碼磷酸核酮糖激酶的prk的表達水平分別上調了2.6倍和1.5倍。擬南芥可吸收PBF,可加速細胞有絲分裂,增強光合作用。

CONCLUSION

綜上所述,PBF通過靜電和疏水相互作用在小球藻表面修飾,實現了光反應和暗反應的同時加速,最終增強了其光合作用。PBF提前了小球藻的對數生長期,提高了最大生長速率。PBF可通過調節PSI和PSII的狀態轉變,協同提高PSI和PSII的活性,產氧量和ATP、NADPH含量顯著增加。RuBisCO活性、rbcLprk的表達水平以及脂質和蛋白質的產量明顯增加。
此外,PBF可被擬南芥根系吸收,促進光合作用,加速細胞有絲分裂,從而加快生長,提早開花。合成高分子材料PBF具有優良的綠光捕獲能力、水溶性和生物相容性,在生物燃料生產以及未來的能源和環境發展中顯示出廣闊的應用前景。

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