弱光下PSI电子传递对玉米空秆的影响及其生理机制研究

Barren stalk is a common problem in corn production, which is bad for the agriculture production. Many researches focus on cultivation conditions and environmental factors to carry out studies, while few mechanism and regulation mechanism are reported. Our previous study determined weak-light stress was the major cause inducing genetic defective barren stalk, and further research proved that electron transfer process in the photosystem I protein complex had most closely relationship with this kind of barren stalk. Centering on electron transfer process in the PSI protein complex(Primary electron donor P700→ Primary electron acceptor A0→ Middle quinone receptor A1→ Iron-sulfur center FX→ Iron-sulfur center FA/FB→ Ferredoxin Fd), photosynthesis mechanism of a paired near-isogenic lines of vulnerable and invulnerable barren stalk ‘SN 98A’ and ‘SN 98B’ associated with barren stalk formation will be compared in the level of chloroplast microstructure, ascorbic acid-glutathione metabolic pathway, PSI activity and photosynthetic electron transport efficiency. These results will have an important scientific value to promote theoretical research of the barren stalk induced by weak-light stress.

空秆是玉米生产中的常见问题，对农业生产十分不利。国内外有关弱光胁迫诱发玉米空秆的研究多集中在栽培条件和环境因素等方面，鲜有发生机理方面的报道且未深入调控机理研究。申请人前期研究明确了弱光胁迫是诱发玉米遗传缺陷性空秆的主要原因，进一步研究证明了光合途径中PSI蛋白复合体电子传递过程与弱光胁迫诱发玉米遗传缺陷性空秆关系最密切。本项目以一对易空秆自交系‘SN 98A’和不易空秆近等基因系‘SN 98B’为试材，在前期研究的基础上，围绕光合途径中PSI蛋白复合体电子传递（原初电子供体P700→原初电子受体A0→中间醌受体A1→铁硫中心FX→铁硫中心FA/FB→铁氧还蛋白Fd）展开试验，比较弱光胁迫下与空秆形成有关的叶绿体结构、ASC-GSH途径、PSI活性和电子传递效率等方面的变化，明确弱光下PSI电子传递对玉米空秆的影响及其生理机制，研究结果对推动弱光胁迫诱发玉米空秆的基础理论研究具有重要意义。

玉米空秆和败育是影响玉米生产的主要障碍。经过多年的自交选育，我们育成了一对易空秆/不易空秆近等基因系SN98A/SN98B。本研究以近等基因系SN98A/SN98B为试验材料，对弱光胁迫诱导玉米空秆差异的生理机制进行了细胞学和光合生理分析。结果表明，弱光胁迫降低了叶绿体的功能，抑制了光合作用下光能的捕获、吸收和传递，增加了活性氧(ROS)的积累，增强了脂质过氧化，从而抑制了植物的生长。在弱光胁迫下，SN98A和SN98B叶片PSI(Y(I))和PSII(Y(II))的实际光化学量子效率、PSI(ETR(I))和PSII(ETR(II))的相对电子转移速率显著降低，其中SN98A的下降幅度大于SN98B。遮荫处理10d后，SN98A的O2·–生成速率和H2O2含量始终高于SN98B，而抗氧化酶活性始终低于SN98B。结果表明，玉米空秆形成差异与其光化学效率和保护性抗氧化酶系统直接相关。此外，基于蛋白质组学分析我还鉴定到1个细胞扩展蛋白EXPB9。该蛋白在拟南芥的同源基因可通过影响细胞壁分裂调控花器官发育，但在玉米中无相关报道。我们推测EXPB9很可能通过介导雌雄蕊细胞壁延展性差异，影响ASI，最终调控弱光下空秆的形成，这也为接下来的研究工作提供了新的思路。