浒苔交替途径对强光的逆境应答及光合作用的优化机制研究

Long time long distance floating migration is the most typical characteristic of the Yellow Sea green tide. During the floating and migration process of the Yellow Sea green tide, a large-scale of thalli floated on the surface of the sea, and suffered high light stress from the sun directly. The thalli can rapidly proliferate under the high light stress, there may be strong environmental adaptability for the thalli to adapt to the severe environmental changes. The alternative pathway (AP) is an important physiological process in plants. AP shows a strong ability to scavenge reactive oxygen species (ROS), and it can efficiently optimize the process of photosynthesis. We plan to select the macroalgae U. prolifera as a research target. High light stress response characteristic of AP is selected as the entry point of the research, and the response of AP for high light stress and the optimizational mechanism of AP to photosynthesis are selected as the main line of the research. The results of the study will help to reveal the regulation mechanism of ROS for the AP. Furtherly, it provides a scientific basis for revealing the high light stress response mechanism and governance of green tide disasters.

长时间长距离漂浮迁移是黄海绿潮的最典型特征，在黄海绿潮漂浮迁移过程中，大量浒苔（Ulva prolifera O.F. Müller）长期漂浮在海水表层直接承受来自太阳的强光照射，这对于浒苔是一种强光逆境，而浒苔仍可以迅速扩增形成绿潮灾害，藻体自身必定具备极强的环境适应能力。交替途径是植物体中应答逆境胁迫重要的生理过程，一方面它具有极强的活性氧清除能力，另一方面它可以高效的优化光合作用。本项目针对交替途径的强光逆境应答特征和机制这一科学问题，选择黄海绿潮原因种——浒苔作为研究对象，开展以下两方面的研究工作：1、强光逆境下活性氧的产生及其对浒苔交替途径的调控机制，2、强光逆境下交替途径对光合作用的优化机制。为揭示大型绿藻的强光应答适应机制和绿潮灾害的有效防控提供科学依据。

长时间长距离漂浮迁移是黄海绿潮的最典型特征，在黄海绿潮漂浮迁移过程中，大量浒苔长期漂浮在海水表层直接承受来自太阳的强光照射，这对于浒苔是一种强光逆境，而浒苔仍可以迅速扩增形成绿潮灾害，藻体自身必定具备极强的环境适应能力。交替途径是植物体中应答逆境胁迫重要的生理过程，一方面它具有极强的活性氧清除能力，另一方面它可以高效的优化光合作用。本项目围绕浒苔交替途径关键酶交替氧化酶的强光响应特征及其对藻体关键生物过程的调控机制进行了如下研究：1）构建了实验室内藻类强光研究体系；2）分析了阳光光谱中对植物造成显著效应的主控环境要素UV-B自1997年以来抵达地面的辐照强度变化规律，发现自1997年以来日光抵达地面带来的UV-B辐照强度呈缓慢上升的趋势；3）研究了浒苔交替途径关键酶交替氧化酶基因的进化地位，发现浒苔与壳缝藻、莱茵衣藻和团藻相比，浒苔交替氧化酶与壳缝藻交替氧化酶具有更近的亲缘关系；4）明确了UV-B是阳光光谱中对浒苔造成显著生物学效应的主控因素，探索了浒苔藻体中交替途径的强光响应特征，解析了强光下浒苔交替途径在藻体光合作用优化和活性氧稳态过程中的重要作用，在强光条件下，浒苔交替途径通过与光保护机制中的NPQ及光呼吸过程中的GO协同发挥作用，以实现藻体的光合作用优化，交替途径与藻体维持光合电子传递能力显著相关，交替途径与GO的协同作用同时可以实现藻体还原力的稳态，浒苔交替途径通过与抗氧化系统中的SOD及CAT协同作用，在ROS维持稳态过程中交替氧化酶主要与·OH清除相关，实现藻体在强光作用下的ROS稳态；5）从生理水平、转录水平、代谢水平，结合抑制剂的使用，系统分析了UV-B变化条件下浒苔交替途径的光合作用优化机制，综合分析了逆境条件下藻体光合作用、呼吸作用、光呼吸之间的协同运转机理；浒苔交替途径并不直接参与藻体的光合作用优化，而是通过光呼吸过程间接实现藻体的光合作用优化，交替途径对光呼吸和还原力稳态关键酶的正调控作用在藻体逆境响应和恢复过程中均扮演重要角色。以上科学发现为深入挖掘浒苔的环境适应机制提供理论支持，尤其是对藻体不同关键亚细胞结构关键生物过程之间协同机制打下理论基础和技术支撑。项目执行期间，共发表学术论文8篇，授权发明专利1项。