光对大豆质体末端氧化酶表达及功能影响的研究

Light is an important environmental factor for the growth of plants. It can regulate the gene expression and morphogenesis of plants as an environmental signal, or participate in photosynthesis as the form of energy. Therefore, change of light condition has significant effects on the growth of plants. In the soybean intercropping system, light condition around soybean shows obvious differences to that in solo cropping system, since the existence of higher crops such as maize, and would influence the growth, even yield of soybean. Plastid terminal oxidase (PTOX) is the terminal oxidase of plant chlororespiration. In recent years, PTOX has become of a new research hotspot in the field of photosynthesis research. Some experimental investigations indicated that PTOX plays an important role in the adaptation of plants to the change of light condition. However, the mechanism remains unclear. So we expect to figure out the mechanism by studying the effects of different light conditions on the expression and function of PTOX in soybean, through this research project. Furthermore, we will study the relationship between PTOX and the physiological performance of soybean in the field condition of maize-soybean relay intercropping system, with the purpose of providing necessary theoretical principle for the development of soybean intercropping system.

光是植物赖以生存的一种重要环境因子，它可作为环境信号影响植物的基因表达与形态建成，也可通过能量的形式参与光合作用。因此，光照环境的变化会对植物的生长发育产生明显影响。在目前大面积推广的间套作大豆复合生产体系中，由于高位作物（如玉米）的存在，大豆在低位所处的光照条件与净作相比有明显变化，这会对大豆的生长发育以及最终的产量形成显著影响。质体末端氧化酶（PTOX）是植物叶绿体呼吸的末端氧化酶，有关PTOX的研究已成为近年来光合作用研究领域的一个新热点。有研究表明，PTOX在植物适应光照环境变化的过程中发挥了重要作用，但机制尚不清楚。本项目拟通过研究不同光照条件对大豆PTOX表达及功能的影响，探讨PTOX在植物适应光照环境变化过程中的作用及其机制。并在此基础上，结合玉米-大豆间作套种生产模式，研究大豆的生理表现与PTOX的关系，为间套作大豆复合生产体系的发展提供必要的理论基础。

质体末端氧化酶（PTOX）是植物叶绿体呼吸过程的末端氧化酶。PTOX定位在类囊体膜上，作为质体醌的氧化酶参与植物的多个代谢过程。本项目通过室内和田间实验的结合，考察了不同光照条件下大豆PTOX的表达特征。并结合相关代谢过程，研究了PTOX在大豆光合生理中的作用以及它与大豆光环境适应能力的关系。结果发现，大豆叶片中PTOX编码基因的表达受到光的诱导，且光质和光强均有明显影响。PTOX的水平在白光、红光及蓝光照射下都表现出明显升高，而远红光照射下则降低，并且在光强增加时会随之上升。另外，在玉米-大豆间套作复合种植模式中，大豆叶片中PTOX的水平相比净作时有明显下降。这应该与玉米对大豆遮荫，光强减弱及远红光比例上升有密切关系。检测还发现，在各种光照条件下环式光合电子传递的关键传递体PGR5与交替呼吸的末端氧化酶AOX1及AOX2a的水平表现出与PTOX一致的变化。结合光合荧光参数及相关指标测定结果的分析，PTOX在大豆光合生理中的主要作用应该是与环式光合电子传递及交替呼吸等途径共同参与光合电子传递链氧化还原的平衡和光能转化后的分配。进一步的品种对比实验表明，大豆对不同光环境的适应能力与PTOX有密切关系。对套作光环境适应能力强、光合表现好的品种其叶绿体呼吸和环式光合电子传递的调节能力应该更强，而适应能力较弱的品种则更依赖交替呼吸途径对光合作用的调节。这些结果为选育适于间套作种植的大豆品种及优化间套作大豆的田间配置提供了理论基础。