植物光系统Ⅱ(PSⅡ)应答非生物胁迫机理研究进展

植物生长过程受到一系列以环境因子(温度、干旱、盐和重金属等)为代表的非生物胁迫影响,进而阻碍以物质转化与能量代谢等为主要特征的光合进程。光系统Ⅱ(PSⅡ)是位于类囊体膜上的多亚基色素-蛋白质复合物,通过捕获光能完成水的光解和质体醌的还原,对植物生长发育尤为重要。一般来说,非生物胁迫会抑制PSⅡ的活性、影响PSⅡ的结构、阻碍电子传递和能量转换,而PSⅡ作为光合作用中最易受影响的部分,近年来与环境因子之间的关系备受关注。基于此,本文对主要非生物胁迫如温度、干旱、盐,以及重金属下植物PSⅡ的生理应答研究进行了归纳,并基于叶绿素荧光技术从PSⅡ的结构与功能、电子传递过程、光抑制与光保护等方面进行了综述。并对现有研究的不足提出了展望,为今后深入研究非生物胁迫下植物PSⅡ响应逆境胁迫过程中的生理与分子机制提供理论基础。

微囊藻生长及光合系统Ⅱ对重金属镉的响应

近年来,随着工农业及采矿业的迅速发展,重金属对水体环境的污染已经成为了全球性的环境问题。镉是生物有机体的非必需元素,在环境中以自由离子和配合物的形式存在,且易被浮游生物吸收。被吸收后的镉一部分随着浮游生物的死亡而进入沉积物,另一部分则随着食物链进行传递,最后被人体吸收,从而对人体产生毒害作用,因此被认为是最典型的一种重金属污染物。研究表明镉能够抑制植物的生长,破坏叶绿素的合成,损害放氧复合体（OEC）锰稳定蛋白（MSP）的结构,或取代放氧复合体中的Ca2＋和叶绿素a的Mg2＋等。

NaCl与Cd对小球藻光系统Ⅱ(PSⅡ)活性的影响

运用叶绿素荧光技术分析了盐胁迫和重金属镉(Cd)对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)光系统Ⅱ(PSⅡ)的影响理.实验中小球藻培养基设置NaCl浓度梯度分别为0、25、100 mmol/L,然后在不同NaCl浓度的培养基中再加入CdCl2溶液,使培养基中Cd2+的浓度分别为0、1、25、100μmol/L.在处理后的1、3、6、12、24 h测定其快速上升荧光曲线和荧光参数.实验发现,高浓度的NaCl(≥25 mmol/L)和Cd(≥25μmol/L)会降低PS的活性,降低应中度.NaCl抑制了依赖于光的应,降低了光能捕获和用于电子传递的量子产额.Cd作用于应中,增加了单应中吸收的光能和用于热耗散的能量.较低浓度(1μmol/L)的Cd处理对小球藻PS活性有作用.NaCl和Cd的处理均体现了时间和浓度的依赖性.盐胁迫和Cd胁迫体现了随浓度增高加重彼此胁迫强度的协同作用的特点.

盐胁迫对蛋白核小球藻光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)的影响同步监测分析

采用叶绿素荧光技术分析盐胁迫对蛋白核小球藻光系统I(PSI)和光系统II(PSII)的影响及其机理.小球藻在BG11培养基中培养,培养基中Na Cl的浓度梯度为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1 mol/L,在处理72 h后测定其叶绿素荧光参数.试验发现,蛋白核小球藻PSII最大潜在量子产量(Fv/Fo)、质体琨库(Fv/2)、潜在光化学效率(Fv/Fo)随盐浓度的升高呈下降趋势,Na Cl的浓度为1 mol/L时,其分别降低了43.9%、70.5%和70.3%;PSII有效量子产量(Y(II))、PSII光化学淬灭(qP)随着有效辐射强度(PAR)的升高而逐渐降低,并在400μmol m-2 s-1以后趋于稳定;而电子传递速率(ETR(II),ETR(I))、非光化学淬灭(qN和NPQ)随着有效辐射强度(PAR)的升高先升高后逐渐降低,最后趋于稳定.综上表明,盐胁迫下蛋白核小球藻PSII的电子传递速率和光化学量子效率降低,PSII复合体受到破坏,最终导致其光化学效率降低;PSI由于受到盐胁迫,其光化学反应速率降低;本研究结果对进一步研究盐胁迫对藻类光合作用的影响机制具有重要意义.

拟南芥逆境响应蛋白SEP1的初步研究

为了研究拟南芥逆境响应蛋白SEP1的生物学功能,通过CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了SEP1基因缺失的拟南芥突变体sep1-1.和从诺丁汉拟南芥种子库(NASC)购买的SEP1基因敲降突变体sep1-2一样,sep1-1在正常条件下与野生型没有明显差异.但是在1200μmol photos∙m^(-2)∙s^(-1)高光处理8 h后,两个突变体新生叶片的叶绿体光系统Ⅱ(PSⅡ)的最大量子产量(Fv/Fm)和野生型(WT)相比有着不同程度的下调,说明PSⅡ的活性降低.亚细胞和叶绿体精细定位结果表明,SEP1是叶绿体基质类囊体膜蛋白.通过蓝绿温和凝胶电泳(BN-PAGE)和二向(2D)SDS-PAGE/蛋白免疫印迹分析发现:SEP1与某些未知蛋白结合形成一个分子质量约为100 ku的复合物,它们可能共同参与了PSⅡ的组装或修复.

全生育期UV-B辐射增强对棉花生长及光合作用的影响

植物光合系统是UV-B辐射最初和最重要的作用靶标。本文在大田条件下进行紫外灯照射处理,研究全生育期UV-B辐射增强(高于环境20%和40%)对棉花形态、干物质积累、光合色素和产量的影响,并通过分析棉花主茎功能叶片的气体交换参数和叶绿素荧光参数,探讨UV-B辐射增强影响棉花光合作用的机制。结果表明,UV-B辐射增强抑制了棉花生长和干物质积累,籽棉产量显著降低,且UV-B辐射越强,抑制作用越明显。随UV-B辐射的增强,棉花主茎功能叶的净光合速率(P_n)在各生育期均显著降低,叶绿素含量呈先升高后降低趋势,气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)未发生变化,胞间CO_2浓度(Ci)反而升高,说明P_n下降主要由非气孔限制因素造成。对叶绿素荧光参数的分析表明,PSⅡ的最大光化学量子产率(F_v/F_m)、实际光化学量子效率(ΦPSII)、线性电子传递速率(ETR)和光化学淬灭系数(qP)随着UV-B辐射的增强而降低,非光化学猝灭系数(NPQ)则显著升高,且各叶绿素荧光参数与Pn变化均显著相关;慢速弛豫NPQ(NPQS)及其在NPQ中的比例均随UV-B辐射的增强而显著提高,表明PSⅡ反应中心受损,光化学效率降低。以上结果证明,全生育期UV-B辐射增强降低了棉花的光合叶面积、叶绿素含量和净光合速率,引起棉花生长与物质积累受抑,产量降低。UV-B辐射增强引起的光合速率下降与PSⅡ反应中心遭到破坏密切相关。

外源EBR对NaCl胁迫下紫花苜蓿幼苗微量元素吸收及叶绿素荧光动力学参数的影响

为明确外源2,4-表油菜素内酯(2,4-epibrassinolide,EBR)诱导紫花苜蓿(Medicago sativa L.)幼苗抗盐性的效果及其可能的生理调节机制,采用营养液水培法,以紫花苜蓿品种‘中苜3号’和‘陇中苜蓿’为材料,研究Na Cl胁迫下施用外源EBR对紫花苜蓿幼苗微量元素吸收及叶片PSⅡ功能、电子传递速率和光能分配的影响。结果表明:150 mmol·L^(-1) Na Cl胁迫下,苜蓿幼苗不同器官(叶片、茎秆、根系)中的Cu^(2+)含量显著升高,Fe^(2+)、Mn^(2+)、Zn^(2+)含量和Fe^(2+)/Na+、Mn^(2+)/Na+、Cu^(2+)/Na+、Zn^(2+)/Na+显著降低,无机离子的吸收、运输和分配等代谢平衡被打破;同时Na Cl胁迫造成苜蓿幼苗叶片PSⅡ反应中心受损,天线耗散、反应中心耗散增加,光合能力下降。Na Cl胁迫下,施用0.1μmol·L^(-1)外源EBR后,苜蓿幼苗不同器官(叶片、茎秆、根系)中的Cu^(2+)含量显著降低,Fe^(2+)、Mn^(2+)、Zn^(2+)含量及Fe^(2+)/Na+、Mn^(2+)/Na+、Cu^(2+)/Na+、Zn^(2+)/Na+显著升高,幼苗体内无机离子的吸收、运输得到有效调控,Na+和Fe^(2+)、Mn^(2+)、Cu^(2+)、Zn^(2+)等阳离子间的拮抗作用减小;苜蓿幼苗叶片的F_0、NPQ显著降低,F_m、F_v/F_0、F_v/F_m、ФPSⅡ、F_v′/F_m′、q P和ETR显著升高,苜蓿幼苗叶片吸收的光能用于光化学反应部分(P)增加、天线色素耗散部分(D)和反应中心过剩光能部分(E)降低。说明外源EBR能够促进Na Cl胁迫下苜蓿幼苗对无机离子的选择性吸收、运输和分配,维持体内的离子代谢平衡,通过提高光合电子传递效率,降低天线热耗散和反应中心过剩光能,维持较高的PSⅡ光化学活性,进而平衡激发能在PSⅠ、PSⅡ之间的分配,降低Na Cl胁迫对PSⅡ反应中心的损伤程度,有效缓解Na Cl胁迫对苜蓿幼苗所造成的伤害。

2-氰基-3-(2-氟吡啶-5-基)甲氨基-3-甲硫基氰基丙烯酸酯类化合物的合成及除草活性

设计合成了系列光系统II(PS-II)电子传递抑制剂2-氰基-3-(2-氟吡啶-5-基)甲氨基-3-甲硫基氰基丙烯酸酯类化合物.其结构经1HNMR、元素分析确证.生物活性测定表明:部分化合物显示出很好的除草活性.其中活性最好的化合物在150g/ha,对阔叶杂草的防效在90%以上.构效关系研究表明:氰基丙烯酸酯的3位取代基对它们的活性影响较大.3位由(2-氟吡啶-5-基)甲氨基取代的氰基丙烯酸酯和相应的氯取代的氰基丙烯酸酯的除草活性相当或稍高.

干热河谷乡土树种叶绿素荧光特征对水分胁迫的响应

以干热河谷地区典型乡土树种清香木为试验材料,采用快速植物效率分析仪(PEA),对土壤相对含水量为50%(C_1)、30%(C_2)、20%(C_3)、10%(C_4)、5%(C_5)5种处理下清香木的光系统Ⅱ快速叶绿素荧光诱导动力学参数进行测定,探讨清香木快速叶绿素荧光诱导曲线在不同水分处理下的变化机制。结果表明:(1)清香木经水分胁迫处理后,放氧复合体受到了不同程度的损害,光合电子传递链中Q_A^-大量积累,电子传递能力和量子产额逐渐降低。(2)随着土壤相对含水量的逐渐降低,清香木ABS/CS、TR_o/CS、RC/CS、DI_o/CS均在C_3处理下降到了最低值,而此时ABS/RC、ET_o/RC、DI_o/RC、M_o均达到最大值,V_j在C_2处理下达到了最大值,而此时Ψ_o、ΨE_o、ET_o/CS均降至最低值,ET_o/RC却一直增加。(3)清香木光合性能指数PI_(ABS)对水分胁迫的敏感性比F_v/F_m(φp_o)更强。研究认为,清香木在30%土壤水分处理下已经启动了相应的自我防御机制,质体醌Q_A被还原的速率均减慢,电子在传递过程中受阻;在20%土壤水分处理下天线系统发生了一定程度的降解或者损坏,导致光能的吸收降低,同时将过多的激发能及时散失,减少了活性氧对反应中心造成的伤害;在10%土壤水分处理下,清香木的自我防御机制得以解除,光合作用效率进一步提高。说明清香木的生理状况在水分过多或者过少条件下都会受到明显影响,其健康生长的理论土壤相对含水量应保持在10%左右,清香木能够适应干旱的环境。

植物光合速率对光强从饱和到有限转变响应方式的物种依赖性

在考察过的57种植物中,有32种的光合速率对光强转换的响应曲线为V型,25种的响应曲线为L型。这种响应类型对物种的依赖性即物种差异,与植物科属分类无关,而与碳同化途径的不同有关,可能还与物种起源时的光环境有关。虽然在饱和光下2类植物体内电子传递速率与羧化速率的比值差异不大,但是在有限光下响应曲线为V型的植物该比值远高于响应曲线为L型的植物。这个差别可以部分地用前者具有较大的捕光天线并且在饱和光下部分天线从反应中心复合体可逆脱离来解释。

基于快速叶绿素荧光参数的不同基因型棉花叶片衰老研究

光系统Ⅱ(PSⅡ)的光反应与作物光合能力密切相关。为了获得更多关于叶片衰老过程中PSⅡ状态的详细信息并快速筛选出具有不同叶片光合功能持续时间的棉花基因型,本试验利用快速叶绿素荧光技术研究了生产上报道叶片衰老快慢不同的3种棉花基因型倒一叶衰老过程中的PSⅡ的光化学反应。结果显示,基于光吸收的性能指数(PIABS)将‘百棉1号’‘百棉5号’和‘DP99B’分为晚衰型、中间型和早衰型。3种基因型棉花品种叶片衰老过程中电子传递受抑制情况遵循同样的规则。放氧复合体(OEC)在生育后期大量降解;PSⅡ受体侧的抑制情况要大于供体侧;叶片衰老显著限制光系统Ⅱ-光系统I间的电子传递;随着叶片衰老,用于热耗散和还原初级醌受体(QA)的能量增加,而用于PSⅡ电子传递链中QA还原(Q-A)之后电子传递的能量下降。但是叶片衰老过程中,电子传递受抑制程度(除荧光开始到荧光最大时间段之间的QA还原次数之外)为‘DP99B’>‘百棉5号’>‘百棉1号’。由此可知,不同棉花基因型的叶绿素荧光特征可快速、无损地反映叶片衰老的快慢及内在生理机制。

2,4-表油菜素内酯对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片光合特性的影响

以黄瓜品种’新春4号’为试验材料,研究了在中度盐胁迫(50 mmol/L NaCl)条件下,外源喷施0.01 mg/L 2,4-表油菜素内酯(EBL)和24μmol/L油菜素内酯抑制剂(BZR)处理对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)及相关荧光参数的影响,探讨EBL缓解黄瓜幼苗中度盐胁迫伤害的光合生理机制。结果表明:(1)盐胁迫导致黄瓜幼苗叶片净光合速率(P_(n))、气孔导度(G_(s))、蒸腾速率(T_(r))下降,胞间CO_(2)浓度(C_(i))增加,初始荧光(F_(o))、最大荧光(F_(m))下降,OJIP曲线中J点、I点显著增加,降低了黄瓜幼苗叶片光合性能,且对PSⅡ受体侧的伤害大于供体侧,表现为PSⅡ反应中心损伤,光合电子从Q_(A)向Q_(B)的传递效率降低,电子传递受阻。(2)在50 mmol/L NaCl处理下,外源喷施0.01 mg/L EBL可显著提升NaCl胁迫下黄瓜幼苗叶片P_(n)、G_(s)、T_(r)、光合性能(PI_(ABS)),降低C_(i),显著增加单位面积内吸收(ABS/CS_(m))、捕获(TR_(o)/CS_(m))、用于电子传递(ET_(o)/CS_(m))的光能以及有活性反应中心的数目(RC/CS_(m))。(3)与NaCl+EBL处理相比,NaCl+EBL+BZR处理后黄瓜幼苗叶片光合性能进一步降低,证明EBL对黄瓜幼苗盐胁迫引起的PSⅡ伤害有缓解作用。研究发现,外源喷施适量2,4-表油菜素内酯能有效缓解黄瓜幼苗叶片在盐胁迫条件下受到的光合电子传递链中(PSⅡ)受体侧的伤害,增加电子从Q_(A)向Q_(B)传递的效率,从而显著改善盐胁迫下黄瓜幼苗叶片的光合性能。

Crystal Structure of Ethoxyethyl 3-(2-Chloro-5-pyridyl methylamino)-2-cyano-4-methylpent-2-enoate

The crystal of the title compound C17H22ClN3O3(Mr = 351.83) was prepared and its structure was determined by X-ray single-crystal diffraction. The crystal belongs to monoclinic, space group P21/n with the following crystallographic parameters: a = 14.7641(1), b = 9.0050(7), c = 15.4874(1) ? =116.9590(1)? V = 1835.3(3) ?, Z = 4, Dx = 1.273 g/cm3, (MoK? = 0.227mm-1, F(000) = 744, the final R = 0.0516 and wR = 0.1594 for 2168 observed reflections. The X-ray data confirmed the z-sterochemistry of active cyanoacrylates and the presence of a planar core stablized by an intramolecular hydrogen bond between the ester carbonyl oxygen and the pyridyl methylamino hydrogen atom.