动态光源下阴生药用植物三七基于光能和电子流分配驱动的光保护机制

It has focused on the photosynthetic responses of plants to dynamic light source of sunfleck in the past year. However, previous attentions have mainly paid to the responses of the dark reaction of photosynthesis to dynamic light source of sunfleck, the light reaction of photosynthesis has received a little of attention in the view of ecophysiology. Non-photochemical quenching (NPQ) has been believed to be the first line to dissipate excess light energy and to protect photosynthetic apparatus; in addition, the trade-off in the partitioning of photosynthetic electron flux between the carboxylative process and non-carboxylative process effectively operate in protecting photosynthetic apparatus against photodamage. Based on our previous study, a typically shade-demanding plant Panax notoginseng was selected to elucidate sunfleck-triggered photoprotection in the present project. Under the dynamic high light, the following issues are investigated: (1) the changes in the NPQ and in the partitioning of light energy; (2) xanthophylls cycle (L- and V-cycle) and its relation to NPQ; (3) the partitioning of PSII electron flux into non-carboxylative process (e.g. cyclic electron flux and water-water cyclic electron flux) and carboxylative process. The present project would considerably improve our understanding of sunfleck-triggered photoprotection in the shade-demanding species and possess an important significance to the research on photoprotective mechanism.

自然环境的光照强度是高度动态变化的，因此，植物对动态光源的响应机制受到广泛关注。然而，以前研究主要探讨光合作用暗反应过程对动态光源的响应特征，较少有研究探讨动态光源下植物基于光反应过程的光保护机制。非光化学淬灭（NPQ）被认为是耗散过剩光能、发挥光保护作用最有效的第一道防线；另外，光系统电子流在碳同化与非碳同化途径的权衡分配对保护光合作用机构免受光氧化伤害发挥着重要作用。本项目在前期工作的基础上，探讨典型阴生药用植物三七在动态光源下基于光合作用光反应过程的光保护机制。主要研究内容包括，在动态高光光斑环境下：（1）NPQ热耗散变化和光能分配特征；（2）NPQ偶联的紫黄质去环氧化循环（V循环）和叶黄质去环氧化循环（L循环）及其与NPQ的关系；（3）光系统I的环式电子流、水-水循环等可选择的非碳同化电子流的分配特征。本项目研究对深入探讨阴生药用植物在瞬间高光胁迫下的光保护的适应机制具有重要意义。

光在自然条件下是高度异质的，因此植物需要进化一系列策略来适应光的动态变化。本研究旨在阐明阴生植物三七光合作用光反应对动态光斑的响应，并探讨其适应模拟动态光斑的调节机制。本研究结果表明当三七暴露于模拟动态光斑时，非光化学猝灭迅速增加到最大值。此外，响应于模拟的动态光斑，光系统II的依赖于光的热耗散量子效率迅速增加，而PSII在光照下的最大量子产率下降。暴露于瞬态强光伴随着PSII的较低的有效光化学量子产率(PSII）。此外，PSII荧光和构成性散热电子转移速率随动态光斑的强度而增加。此外，在瞬态高光条件下激活环式电子流，光系统I的受体侧限制增加，而PSI的供体侧限制降低。同时，当叶片暴露于瞬时强光时，叶黄素循环（V循环）被激活，随后JNPQ开始增加。去环氧化状态与NPQ对动态光斑的响应密切相关。基于CEF和RuBP氧化的电子流之间的相关性的分析表明，在高光照强度下，主要用于RuBP氧化的电子流量将有助于CEF的传递。总的来说，光呼吸在调节耐荫物种（如三七）对瞬态强光的CEF中起着重要作用，而主动Lx循环和减速的NPQ可能是提高PSII在瞬态强光下最大光化学量子效率的有效机制。