叶绿素荧光仪和光合仪高分应用文章集锦(2024年8月)

抗坏血酸盐 (Asc)是一种主要的植物代谢物，在从活性氧清除到表观遗传调控的各种过程中起着至关重要的作用。然而，Asc在多大程度上以及如何调节新陈代谢仍然是未知的。2024年8月6日，Plant Physiology在线发表匈牙利HUN-REN植物生物学研究所 Szilvia Z Tóth实验室题为Chloroplastic ascorbate modifies plant metabolism and may act as a metabolite signal regardless of oxidative stress研究论文。文章通过拟南芥叶绿体Asc转运体突变体缺少PHOSPHATE TRANSPORTER 4; 4的株系和Asc缺乏的vtc2-4突变体，研究了叶绿体和整个细胞Asc缺乏的后果。

在正常生长条件下，两种Asc缺陷都会导致光合作用发生微小的变化，但没有明显的氧化损伤迹象。相比之下，代谢组学分析揭示了两种Asc缺陷突变体的代谢组图谱都发生了全面且大体重叠的改变，这表明叶绿体Asc调节了植物的新陈代谢。研究人员观察到氨基酸代谢(尤其是精氨酸代谢)发生了重大变化，核苷酸补救合成途径被激活，次生代谢也发生了变化。此外，对整个蛋白质组的热稳定性分析表明，Asc可能与参与精氨酸代谢、卡尔文-本森循环和几种光合电子传递元件的酶相互作用。总之，文章的研究结果表明，叶绿体Asc可调节维管植物中多种代谢途径的活性，并可作为一种内部代谢信号。

图注：叶绿体Asc控制植物的新陈代谢。A) Asc的生物合成在细胞质中进行，最后一步在线粒体中进行，vtc2编码GDP-L半乳糖磷酸化酶(GGP)，催化Asc生物合成的第一步。PHT4;4将Asc转运到叶绿体中。B)可能与叶绿体Asc相互作用的光合电子传递元件和基质酶(根据本研究中的PISA分析，用蓝色表示)。C)叶绿体和细胞Asc缺乏会导致代谢组发生广泛变化，包括诱导GABA分流和核苷酸补救合成途径。深红色和浅绿色箭头分别表示vtc2-4突变体和pht4;4-3突变体与WT(Col-0)相比，相应代谢物发生了显著变化。灰色条表示已鉴定出特定代谢物，但未检测到相对于WT的显著变化。

随着全球气候的不断变化，海洋热浪(MHWs)的频率、持续时间和强度都在增加，破坏了全球海洋生态系统。虽然报告的大多数影响都发生在热带地区，但新西兰却在2022年经历了强度最大、持续时间最长的海洋热浪，对海洋海绵造成了严重影响。海绵对岩石底栖海洋生物群落至关重要，其数量影响着生态系统的功能。2024年8月6日，Global Change Biology在线发表新西兰维多利亚大学生物科学学院James J. Bell等人标题为Marine heatwave-driven mass mortality and microbial community reorganisation in an ecologically important temperate sponge的研究论文。文章探讨了2022年那次MHW对新西兰峡湾地区光合作用海绵（Cymbastella lamellata）的影响。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)是一种氧化还原辅助因子，是细胞代谢的中心信号。破坏植物体内NAD的平衡会改变植物的生长和抗逆性，但其潜在机制仍不清楚。2024年8月6日，南方科技大学黄安诚团队在Nature Communications 在线发表题为“NAD⁺ deficiency primes defense metabolism via ¹O₂-escalated jasmonate biosynthesis in plants”的研究论文，该研究概述了植物中NAD⁺缺陷介导的JA诱导和防御启动序列，表明这种防御机制在植物的胁迫响应中起作用。

图注：虫害导致的NAD失调激活了茉莉酸盐的生物合成，从而启动植物防御功能

番茄是全球重要的蔬菜作物，起源于南美洲安第斯山脉地区。在番茄的进化和人类选择过程中，由于生长环境的改变(从高海拔到低海拔)，使得低温不再是番茄进化选择的主要逆境压力，这造成了现代栽培番茄耐寒能力下降。然而，随着我国设施农业的快速发展，冬春低温造成的设施蔬菜冷害业已成为限制产业高质量发展的瓶颈问题。因此，解析设施主栽喜温蔬菜番茄耐寒能力下降的机制，创制耐寒种质和调控技术，对于产业发展具有重要意义。2024年8月6日，浙江大学喻景权院士周杰教授团队在Nature Communications在线发表了题为“Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34 promoter fragment during tomato evolution”的研究论文。该研究以冷敏感的栽培番茄 (Solanum lycopersicum)和耐寒的野生多毛番茄(Solanum habrochaites)为对象，通过多组学联合分析以及生理生化、遗传学和生物信息学等手段，揭示了在野生番茄和栽培番茄中WRKY34低温表达模式差异的原因，及其调控番茄耐寒能力的具体机制。

准确评估叶氮含量(LNC)对实际生产和肥料管理至关重要。2024年8月7日，西北农林科技大学信息工程学院胡瑾教授课题组在Computers and Electronics in Agriculture发表题为A Vis/NIRS device for evaluating leaf nitrogen content using K-means algorithm and feature extraction methods的研究论文。在这项研究中，卢苗等人设计了一种便携式设备，用于快速、无损地精确评估叶氮含量。

该研究以培养在不同含氮量营养液中的水培茄子为实验样本，进行了各种测量，包括叶绿素荧光(ChlF)诱导曲线、高光谱图像和LNC值。计算了LNC和ChlF参数之间的相关性，其中qN参数与LNC的相关性最高。使用K-Means算法对qN的假彩色图像进行分割，得到三个区域。将光谱数据与叶片中相应区域的LNC测量值进行匹配，并以处理后的光谱数据为输入，LNC测量值为输出，利用偏最小二乘法回归(PLSR)算法建立了LNC预测模型。结果表明，使用标准正态变异-逐次保留信息变量-连续投影算法(SNV-IRIV-SPA-PLSR)的模型性能最佳，预测相关系数(R²)为0.9332，均方根误差(RMSE)为 2.6890 mg/g，剩余预测偏差(RPD)为3.97，性能与四分位距(RPIQ)之比为7.28。根据SNV-IRIV-SPA-PLSR-VIP模型选定的波长，选择了六个窄带发光二极管(LED)作为设计装置的光源。采用廉价模块组装设备，并进行了精度测试。采用PLSR算法开发了设备的LNC评估模型，输入为 6个LED灯下的叶片反射率(结果R²、RMSE、RPD和RPIQ值分别为0.8075、6.6242 mg/g、2.30和4.26)。然后将模型嵌入核心处理器。为了验证该装置的性能，使用了一组独立数据，结果R²为0.7559，RMSE为7.4771 mg/g，RPD为2.07，RPIQ为3.57。所提出的装置可快速准确地测定植物中的LNC，在便携性和成本方面优于其他装置。这项研究为植物肥料管理提供了一种潜在的解决方案。

放氧光合作用是自然界中重要的生命过程，可以将光能转化为化学能，合成有机物的同时释放氧气，为地球上绝大多数生命提供物质和能量。位于类囊体膜上的光系统I(photosystem I, PSI)和光系统II (photosystem II, PSII)对于光合作用光反应至关重要，两个光系统均由核心和外周捕光天线构成，其中光系统核心是高度保守的，但结合在核心外周的捕光天线在不同物种间存在着巨大差异，这些差异反映了不同光合生物对特定生存环境的适应，也体现了自然界中多样的光合调节机制。隐藻是由红藻经次级内共生过程演化出的一类单细胞真核微藻，具有极其独特的捕光天线，包括位于类囊体膜内的叶绿素 a/c 结合蛋白(chlorophyll a/c proteins，CAC)和结合在类囊体膜外腔侧的藻胆蛋白(phycobiliprotein，PBP)。由于缺少隐藻光系统的结构信息，其核心与捕光天线的组装方式及其捕光调节机制尚不清楚，解析隐藻光系统-捕光天线复合物的高分辨率结构不仅为揭示这类光合生物的光合调节机制提供结构基础，而且能够为提高植物的光能利用效率、增加作物产量等提供新思路。

植物叶绿体在光合作用和免疫中起关键作用，但小麦中控制叶绿体相关核基因表达的精确及时的转录调节机制在很大程度上仍未知。泛素化是一种重要的翻译后调节过程，E3泛素连接酶在植物的激素反应、发育和免疫等多种细胞过程中起作用，但泛素连接酶E3在小麦免疫中的作用及其底物识别模式尚不清楚。2024年8月12日，Nature Communications在线发表了四川农业大学魏育明/许强教授团队联合西北农林科技大学王晓杰教授团队题为The RING-finger ubiquitin E3 ligase TaPIR1 targets TaHRP1 for degradation to suppress chloroplast function的研究论文。本研究揭示了小麦中RING型泛素E3连接酶TaPIR1通过泛素化并降解转录因子TaHRP1来抑制叶绿体功能，从而增加植物对条锈病(Pst)的敏感性。

TaPIR1是小麦抗Pst的负调控因子，TaPIR1在Pst感染的小麦叶片中表达上调，其敲除可增强小麦对Pst的抗性，过表达则降低抗性。TaPIR1与TaHRP1在细胞核中相互作用并使其泛素化，TaPIR1是一种功能性E3 Ub连接酶，能泛素化TaHRP1。TaPIR1可促进TaHRP1在体外和体内的降解，TaHRP1的赖氨酸残基K131和K136 是TaPIR1泛素化的位点，其突变会影响TaHRP1的稳定性和降解。TaHRP1是小麦抗Pst的正调控因子，TaHRP1的缺失会降低小麦对Pst的抗性，过表达则增强抗性，TaHRP1可直接结合PhANGs启动子中的TaHRP1-结合位点元件并激活其转录，从而调节PhANGs的表达。TaHRP1有助于维持叶绿体衍生的ROS稳态，TaHRP1 过表达可促进光合作用和叶绿体衍生的ROS积累，TaPIR1则抑制TaHRP1诱导的ROS在叶绿体中的产生。

光合作用是作物改良的重要目标之一。光合叶片中的无机磷(Pi)作为ATP合成原料并参与光合蛋白调控以及磷酸丙糖(TP)等光合产物周转,叶片中其含量在一定条件下可能成为光合作用高效运转的限制因素。实际上，田间光合作用的磷限制常发生在抽穗灌浆阶段、需要光合作用高效运转的时期。叶片(源)与种子(库)之间的Pi分配对作物籽粒灌浆有重要影响，然而，Pi在源库之间如何分配调控及其对叶片光合效率的影响尚需解析，有效的遗传解决方案仍有待建立。

2024年8月13日， PNAS在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王鹏课题组与何祖华课题组合作完成的题为Genetic improvement of phosphate-limited photosynthesis for high yield in rice的研究论文，发现水稻OsPHO1;2磷转运蛋白能够向叶片分配无机磷，其表达量与叶片Pi含量、净光合速率以及产量的增高呈正相关。

图注：OsPHO1;2 将 Pi 分配给叶片并促进光合作用。

何祖华课题组之前的研究发现OsPHO1;2控制籽粒中磷的再分配从而影响其灌浆(Ma et al., 2021)。本研究发现，OsPHO1;2功能缺失突变导致叶片Pi缺乏，光合电子传递活性及CO₂同化速率降低，光合作用Pi限制提前发生；过量表达OsPHO1;2有效地延长了高光合速率的持续时间，从而提高了产量潜力。本研究为OsPHO1;2调节叶片中Pi的稳态、TP-Pi反向交换转运效率、光合作用的Pi限制等提供了遗传、生理和生化证据。此外，对核心水稻种质资源的分析表明，与低表达OsPHO1;2的水稻相比，高表达OsPHO1;2的水稻与更高的叶片Pi含量、光合作用和产量潜力相关。更重要的是，对水稻灌浆期叶面喷施磷肥补充Pi，提高了剑叶光合速率，延长了剑叶光合有效期，对籽粒产量的提高有较大贡献；与叶面施用磷酸盐相比，OsPHO1;2相关的遗传改造策略被证明在调节叶片Pi以实现高效光合生产方面是同样有效的。

图注：OsPHO1;2缺失会导致光合电子传递活性和跨类囊体膜质子动力势下降。

这些发现表明，光合作用的磷限制可以通过遗传途径解除或减缓，OsPHO1;2基因可以用于加强作物的育种策略，以获得更高的磷利用效率及光合驱动力。因此，本研究不仅揭示了叶片磷分配、光合作用与粮食产量之间关联的新机制，而且为在有限磷投入的情况下提高作物产量提供了新路径。

随着全球气候变暖，极端天气增加，植物经常会面临各种各样的胁迫，严重影响其生长发育。低温是一种主要胁迫，限制了许多作物的品质和产量。而番茄作为一种喜温性蔬菜，低温会导致其生长发育停滞，花期延迟，坐果率显著降低。在整个进化过程中，植物已经发展出多种抵御寒冷的机制，其中植物激素调节起着至关重要的作用。同时，自噬参与蛋白质降解和氨基酸循环，在植物发育和逆境反应中起着关键作用。然而，自噬与植物激素之间的关系尚不清楚。2024年8月19日，New Phytologist在线发表浙江大学周杰教授和北京大学现代农业研究院赵珺博士联合署名标题为Strigolactones positively regulate HY5-dependent autophagy and the degradation of ubiquitinated proteins in response to cold stress in tomato的研究论文。

文章探讨了低温胁迫下独脚金内酯调节番茄自噬和泛素化蛋白降解的分子机制。研究发现低温诱导了泛素化蛋白的积累，独脚金内酯生物合成缺失突变体对低温更加敏感，伴随着更多的泛素化蛋白积累。相反，人工合成的独脚金内酯类似物GR24^5DS增强了番茄的低温抗性、自噬体形成和自噬相关基因ATGs的转录水平，降低了泛素化蛋白的积累。与此同时，低温和独脚金内酯诱导HY5的积累，HY5进一步激活ATG18a的转录，进而诱导自噬。ATG18a突变降低了独脚金内酯诱导的低温抗性，导致自噬体形成减少和泛素化蛋白积累增加。这些结果表明，在低温条件下，独脚金内酯以HY5依赖的方式正向调节番茄自噬和促进泛素化蛋白的降解。

图注：番茄通过HYPOCOTYL 5 (HY5)依赖方式激活自噬诱导抗寒性的可能模型。

叶绿体编码的多种跨类囊体膜蛋白质对光合作用复合物至关重要，但人们对其生物发生的协调过程仍然知之甚少。2024年8月27日，The EMBO Journal在线发表德国鲁尔大学Danja Schünemann课题组标题为STIC2 selectively binds ribosome-nascent chain complexes in the cotranslational sorting of Arabidopsis thylakoid proteins的研究论文。文章将STIC2 确定为一种新的核糖体相关因子，并提出STIC2与cpSRP54合作，将D1和潜在的其他叶绿体编码的光合亚基共翻译递送至类囊体膜。

为了确定特异性支持光合系统(PS)II反应中心蛋白D1共翻译生物发生的因子，研究人员生成并亲和纯化了带有D1新生链的停滞核糖体-新生链复合物(RNCs)。翻译可溶性核糖体亚基uS2c的停滞RNCs被用来进行比较。对纯化的RNCs进行定量串联质谱分析，发现了约140个与D1 RNCs有特异性关联的蛋白质，这些蛋白质主要参与蛋白质和辅助因子的生物生成，包括叶绿素的生物合成和其他代谢途径。对新发现的D1 RNC相互因子STIC2的功能分析显示，它与叶绿体蛋白SRP54合作参与了D1以及PSII和PSI的其他潜在共翻译靶向反应中心亚基的从头生物生成和修复。STIC2与类叶绿体插入酶Alb3及其同源物Alb4之间的主要结合界面被绘制到了STIC2的β片区以及Alb3/4 C端区的保守Motif III上。

图注：STIC2和cpSRP54的共同缺失导致拟南芥高光敏感性和D1积累降低。

长余辉材料展现出持久的发光性和高信噪比特性，使它们成为具有新功能属性的创新发光植物标签的有前景的候选材料。在众多发光材料中，SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺(SAO)作为一种领先的长余辉材料脱颖而出，以其强烈且长寿命的余辉发光以及出色的紫外线抗性而闻名。尽管已有大量研究集中在稀土离子掺杂的锶铝酸盐材料和性能提升上，但SAO的耐水性差仍是限制其实际应用的关键挑战。水的强极性使得SAO容易受到水解的影响，因此需要有效的封装方法来保护其相结构。虽然已经探索了各种封装措施，如SiO₂、TiO₂、MgF₂和聚合物封装层，但许多措施牺牲了发光性能，阻碍了材料的应用潜力。因此，探索既能增强耐水性又能提高发光性能的封装技术对于确立SAO作为构建植物标签的优异发光材料至关重要。

利用植物发光标签构建植物信息云平台的示意图在先前报道的工作中，将材料送入植物的常用方法包括叶面喷雾、根部吸收和树干/叶柄注射。然而，这些方法在将微米级颗粒送入植物方面存在局限性。虽然树干/叶柄注射方法可以通过机械损伤角质层和表皮等屏障直接进入维管系统，但其侵入性使其只适合某些大型木本植物。近年来，微针贴片因其最小的侵入性、安全性和效率，在药物输送应用中被使用，呈现出一种有前景的替代方案。在先前的报告中，近红外发光颗粒通过微针贴片注入皮肤，以记录疫苗接种的长期信息。从医疗领域的微针贴片中汲取灵感，研究人员采用它们将长余辉材料送入植物叶片，实现信息记录和编码。为了构建植物中的信息记录平台，首先将SAO与H₃PO₄封装以增强耐水性，并在植物复杂的内部环境中保持稳定的发光。然后，将微针贴片的尖端装载SAO@H₃PO₄，创建排列良好的发光阵列，为植物提供特定的编码信息。这些信息的汇编旨在建立一个智能农业平台，其中植物发光标签作为通往云平台的门户，用于存储各种生理信息，并实现基于物联网的精准农业系统。

H₃PO₄的封装赋予了SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺(SAO)稳定性和更强的发光能力。利用SAO@H₃PO₄作为低损伤发光标签，研究人员通过微针贴片将其输送到植物体内。嵌入植物体内的SAO@H₃PO₄显示出持续且无变化的高信噪比余辉发射，27天内发光强度保持在原来的78% 左右。为了满足不同的信息记录需求，研究人员设计了各种几何形状的微针贴片来装载SAO@H₃PO₄，通过设计的程序可以准确识别不同形状的发光信号，并可以方便地在计算机上查看相应的信息。此外，受二进制信息概念的启发，还创建了发光点和非发光点特定排列的微针贴片，从而在叶片上形成了不同的发光微针贴片阵列。先进的照相系统配合量身定制的程序，能准确识别标签并将其映射到相应的记录信息中。这些发现展示了植物体内低损伤发光标签的潜力，为方便、广泛地存储植物生长信息铺平了道路。