在探索宇宙的征途中，人类对于在其他星球建立定居点的构想愈发具体。这些宏伟计划往往聚焦于如何使农作物适应受控的人工环境，以确保食物供应的自给自足。然而，除了人工环境，我们同样需要考虑如何在火星等外星环境的恶劣土壤中培育出能够茁壮生长的先锋植物。中科院新疆生地所研究员张道远和张元明团队聚焦于沙漠苔藓——齿肋赤藓（Syntrichia caninervis），揭示齿肋赤藓的生存极限与适应策略。研究发现，齿肋赤藓能够耐受自身98%以上的细胞脱水、-196℃超低温速冻、5000 Gy以上伽马射线辐射而不死，且在火星模拟条件下仍可以存活并再生出新的植株。这一成果刷新了极端生命体对环境的“耐受”纪录。相关成果于7月1日以封面文章的形式发表在The Innovation，标题为The extremotolerant desert moss Syntrichia caninervis is a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments。
纳米技术在农业领域具有革命性的潜力，氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)在促进作物生长方面显示出优势。光合作用效率的提高与茶树活力和品质的提高密切相关，与叶际微生物维持植株健康也有关。然而，ZnO NPs对茶树光合作用、新梢萌发和叶际微生物群落的影响还没有得到充分的研究。7月2日，Journal of Nanobiotechnology在线发表了青岛农业大学园艺学院范凯老师课题组题为Zno nanoparticles: improving photosynthesis, shoot development, and phyllosphere microbiome composition in tea plants的研究论文。文章揭示了ZnO NPs对茶树光合作用和新梢发育的积极影响，并且对茶树叶际附生微生物群落和叶际内生微生物群落起到了一定的改善作用。
该研究为ZnO NPs改善茶树生长提供新的见解。这些发现为ZnO NPs在农业可持续发展中的应用提供了新的科学依据，有助于推动纳米生物技术在提高作物产量和品质方面的研究。本研究中茶树叶片光合生理活性相关的叶绿素荧光参数，如Fv/Fm，ETR，qP，Y(Ⅱ)的测量通过叶绿素荧光成像系统IMAGING-PAM完成。
富铁基质人工湿地(constructed wetlands, CWs)由于成本低等优点被广泛应用于再生水回用领域，它可通过生物和非生物途径实现微量有机污染物的高效去除。不幸的是，对于富铁基质CW中促进羟基自由基（•OH）形成和确保多环芳烃（PAHs）安全转化的必需活性铁种类，特别是在长期运行的CWs中，仍然存在研究空白。此外，富铁基质CW实现PAHs安全转化的生物和非生物途径之间的耦合关联和机制仍然是一个研究空白。7月2日，Water Research在线发表山东大学环境科学与工程学院胡振教授课题组题为Biotic/Abiotic Transformation Mechanisms of Phenanthrene in Iron-rich Constructed Wetland under Redox Fluctuation的研究论文。文章对富铁基质CW在不同氧化还原条件下对菲（Phenanthrene）转化过程进行了探索。利用Mössbauer光谱分析技术阐明了参与•OH生成的关键活性铁物种，利用宏基因组学技术阐明了菲在富铁CW中的生物转化机制。最后，通过冗余分析（RDA）和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）揭示了生物/非生物转化机制对菲转化的贡献及其关联关系。
在地球上，光合作用的藻类是海洋生态系统不可或缺的一部分，尤其是数量众多、主要分布在近海区域的硅藻，它们贡献了全球约20%的初级生产力。硅藻不仅作为重要的碳汇，还是多种高价值营养补充剂的来源，例如岩藻黄素。因此，深入理解硅藻生态成功背后的分子机制，对于生物地球化学循环和经济价值具有深远的意义。硅藻拥有独特的光合作用特性，能够高效捕获水下常见的蓝绿光。若能将这一特性应用于作物，将有助于填补光谱利用中的"绿色缺口"。然而，硅藻在近海环境中经常面临光照强度的剧烈变化，这对其光合作用系统可能构成损害。目前，硅藻如何适应这种环境压力的具体调节因子和机制尚不完全清楚。
光合作用中的非光化学淬灭（NPQ）是一种广泛保守的防止光损伤的策略，涉及将过剩光能转化为热能。其中，能量依赖性淬灭（qE）是光合真核生物NPQ的短期组分，涉及去氧化黄酮素类胡萝卜素和效应蛋白的协同作用。值得注意的是，最初在绿藻中发现的LI818蛋白在亲缘关系较近的维管植物中不存在，而在关系较远的硅藻中却存在，它们在硅藻中被称为LHCX蛋白。海岸硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的基因组中编码了多种光感受器，其中包括感知蓝光的aureochrome家族成员AUREO1a、AUREO1b和AUREO1c。这些aureochromes含有光-氧-电压（LOV）结构域和bZIP转录因子结构域，能够介导光诱导的转录调控。
2024年7月3日，Nature Communications在线发表了西湖大学李小波教授团队题为A rapid aureochrome opto-switch enables diatom acclimation to dynamic light的研究论文。文章通过结合CRISPR/Cas9、生化、细胞生物学和多组学方法，揭示了硅藻中的蓝光感受器AUREO1c是强光下光保护和光合作用相关基因的重要且特异性调控因子。
首先，研究人员通过CRISPR/Cas9技术对AUREO1a、AUREO1b和AUREO1c进行了突变，并选择了每个基因的三个突变体进行进一步的表征。在标准光照条件下（growth light, GL）生长时，所有突变体在外观和生理参数上都与野生型相似。在极高光照（very high light, VHL）条件下，aureo1c-1细胞出现漂白现象，而aureo1a-1和aureo1b-1突变体则没有。而在较低光照强度下，aureo1c突变体的Fv/Fm比和NPQ都较低。在aureo1c-1突变体背景的互补株（COMP）中，表达了AUREO1c-GFP融合蛋白，而LHCX2/3表达、NPQ和Fv/Fm比也得以恢复，并显示出对极高光照的耐受性。由此得出结论，AUREO1c是P. tricornutum在遭受高光照射后，NPQ响应和存活所必需的关键调节因子。研究还发现，AUREO1c的定位并不受光照水平的影响，但其构象可能会发生变化。为了了解AUREO1c是否与蓝光信号相关，该研究比较了aureo1c-1突变体和野生型细胞在不同光照条件下的转录组，包括生长光（GL）、高白光（HWL）、高红光（HRL）和高蓝光（HBL）。结果显示，AUREO1c在高蓝光下是一个位于细胞核的传感器。
进一步研究表明，AUREO1c蛋白利用LOV结构域探测光照压力，并通过其bZIP DNA结合域直接激活靶基因（包括编码NPQ效应蛋白的LI818基因）的表达。与在淡水绿藻——莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中报告的激酶介导的途径相比，AUREO1c途径展现出了更快的响应速度，并能够在连续高光照和波动光照处理下，使LI818的转录本和蛋白水平累积到相当的程度。
综上所述，该研究揭示了蓝光感受器PtAUREO1c是强光下光保护和光合作用相关基因的重要且特异性调控因子。在不同的光照强度下，PtAUREO1c感知蓝光并即时激活两个LHCX基因的转录，这个途径在硅藻适应长期高光和快速波动光环境中非常重要。硅藻的光保护机制是一个复杂的过程，这项研究为我们提供了深入理解这一机制的机会，并为未来的应用研究奠定了基础。随着对这些机制的进一步研究，我们有望开发出新的策略来提高作物的光能利用效率和环境适应性。本研究中藻类光合生理活性相关的叶绿素荧光数据通过叶绿素荧光成像系统IMAGING-PAM和双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100完成。
作为所有含氧光合生物光系统II(PSII)的核心组成部分，细胞色素b559(Cyt b559)在PSII的保护和组装过程中扮演着至关重要的角色，但是Cyt b559的组装机制尚未完全明了。2024年7月4日，The Plant Cell在线发表上海师范大学彭连伟教授课题组题为RESISTANCE TO PHYTOPHTHORA1 promotes cytochrome b559 formation during early photosystem II biogenesis in Arabidopsis的研究文章。
细胞核编码的叶绿体蛋白通过一种尚未完全明了的分子机制在细胞内不同区室间进行运输。传统上，人们并未在分泌途径中识别出负责货物分选的特定受体。2024年7月4日，The Plant Cell在线发表中国农业大学董江丽教授课题组题为A cargo sorting receptor mediates chloroplast protein trafficking through the secretory pathway的研究文章。文章的最新研究揭示了一种特殊的货物分选受体（cargo sorting receptor），它在病毒植物中具有特异性，并在将货物蛋白定向到叶绿体的过程中发挥关键作用。
通过正向遗传学方法，研究人员在蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中鉴定了一个基因，该基因编码一种跨膜蛋白，命名为MtTP930。MtTP930基因的突变导致叶绿体功能下降和植株生长受限。MtTP930在植物的地上部分表达量较高，并且定位于内质网出口位点（ERES）和高尔基体。它含有典型的货物分选受体结构域，能够与Sar1、Sec12和Sec24等蛋白相互作用，参与COPII囊泡的运输过程。
尤为关键的是，MtTP930能够识别内质网中的特定货物蛋白，包括N-糖基化核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶（MtNPP）和α-碳酸酐酶（MtCAH），并通过分泌途径将这些蛋白有效地运输到叶绿体。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，MtTP930的同源基因发生突变也会导致类似的矮小表型。此外，当MtNPP-GFP在Attp930突变体的原生质体中表达时，未能成功定位到叶绿体，这表明这些货物分选受体在植物中具有保守性。
这些突破性的发现不仅增进了我们对叶绿体蛋白在分泌途径中的分选和运输机制的理解，而且为进一步探索植物细胞内蛋白质运输的复杂性提供了新的视角。本研究中，苜蓿光合生理活性相关的叶绿素荧光数据通过超便携式调制叶绿素荧光仪MINI-PAM-II测量获得，拟南芥野生型和突变体的表型通过叶绿素荧光成像系统IMAGING-PAM测量完成。
寒冷胁迫是影响植物生长和产量的关键环境因素。研究表明，乙烯响应因子（ERFs）在植物应对寒冷胁迫的信号转导过程中发挥重要作用。然而，大多数ERFs的调控机制及其靶基因尚未被充分揭示。2024年7月10日，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室刘继红教授团队在The Plant Journal发表题为The transcription factor ERF110 promotes cold tolerance by directly regulating sugar and sterol biosynthesis in citrus的研究论文，该研究揭示了PtrERF110通过直接调控糖和固醇的生物合成增强了柑橘的抗寒性的分子机制。
枳（Poncirus trifoliata (L.) Raf.）是柑橘上最常用的砧木，抗寒性较强，是研究低温应答的重要柑橘资源。本研究中，研究人员从枳中鉴定出一种受寒冷诱导的ERF，命名为PtrERF110。PtrERF110是一种具有转录激活活性的核蛋白。研究发现，PtrERF110的过表达显著增强了柠檬（Citrus limon）和烟草（Nicotiana tabacum）的耐寒性，而病毒诱导的基因沉默（virus induced gene silencing，VIGS）介导的PtrERF110敲低则大大削弱了耐寒性。RNA序列分析表明，PtrERF110过表达导致一系列应激反应基因的整体转录重编程。其中三个基因，包括PtrERD6L16（early responsive dehydration 6-like transporters）、PtrSPS4（sucrose phosphate synthase 4）和PtrUGT80B1（UDP-glucose: sterol glycosyltransferases 80B1），被证实为 PtrERF110 的直接靶标。此外，与野生型植物相比，PtrERF110过表达植物始终表现出更高的糖和甾醇水平，而 VIGS植物则呈现相反趋势。外源蔗糖供应恢复了PtrERF110沉默植物的抗寒性。此外，PtrSPS4、PtrERD6L16和PtrUGT80B1的敲低显著削弱了枳的抗寒性。
综上所述，该研究结果表明PtrERF110 通过转录激活PtrERD6L16、PtrSPS4和PtrUGT80B1直接调节糖和甾醇的合成，从而正向调节抗寒性。本研究揭示的调控模块 (ERF110-ERD6L16/SPS4/UGT80B1) 有助于我们了解植物在寒冷胁迫下糖和甾醇积累的分子机制。本研究中，柑橘植物叶片冷胁迫下光合生理活性相关的叶绿素荧光数据通过超叶绿素荧光成像系统IMAGING-PAM测量完成。
含氧光合作用由水的光氧化作用驱动，释放出的电子最终用于产生光合还原剂 NADPH，以进行碳固定和新陈代谢。可溶性电子载体蛋白铁氧化还原蛋白（Fd）是光合作用的电子分布枢纽。然而，人们对决定 Fd 电子去向的因素仍然知之甚少。要了解光合生物如何平衡光反应、碳固定和下游细胞新陈代谢以应对不断变化的环境条件，并合理利用光合微生物作为绿色细胞工厂进行可持续生物生产，就必须阐明这一点。
图注：在模式蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803中，光合电子传递链(PETC)与来自铁氧还蛋白(Fd)的电子分布构成了其光合作用的核心机制。
(a)PETC的简化模型。在蓝藻的PETC中，光系统I和II(即PSI和PSII)发挥着关键作用，与细胞色素b6f复合体(Cyt b6f)、质蓝素(Pc)、细胞色素c6(在铜缺乏条件下表达)以及铁氧还蛋白(Fd)共同协作。线性电子传递(LET)的最终步骤涉及铁氧还蛋白-NAD(P)H氧化还原酶(FNR)，它将NADP+还原为NADPH，后者随后被卡尔文-本森-巴萨姆(CBB)循环和其他代谢途径所利用。由此产生的质子动力势(pmf)驱动ATP的合成。此外，PSI周围的循环电子传递(CET)由NADH脱氢酶样复合体(NDH-1)介导。RTO细胞色素bd醌氧化酶(Cyd)和aa3型细胞色素c氧化酶(COX)负责将氧气(O2)还原为水。值得注意的是，在被子植物、红藻和褐藻中，黄二铁蛋白(FDPs)作为波动光照下的关键光保护机制，已经退化。
(b) Fd的电子分布。Fdred作为多种途径的电子供体，其中Flv1/3和Flv2/4异源构象中的FDPs执行类似Mehler反应的功能，将O2还原为水。由NDH-1介导的CET将电子从Fd重新输送回PQ池。双向氢酶(Hox)参与氢代谢，而硫氧还蛋白(Trx)调节系统则对CBB酶的光激活等进行精细调控。其他涉及Fd的途径包括phycocyanobilin：ferredoxin氧化还原酶(PcyA)、ferredoxin依赖性谷氨酸合成酶(GlsF、GOGAT)、ferredoxin-亚硫酸盐还原酶(Sir)、硝酸盐还原酶(NarB)和亚硝酸盐还原酶(NirA)。
2024年7月15日，The Plant Journal发表署名单位为芬兰图尔库大学题为Strong heterologous electron sink outcompetes alternative electron transport pathways in photosynthesis的研究论文，文章应用一系列最先进的生物物理和生物化学技术，深入研究了表达烯还原酶异源基因 YqjM 的工程蓝藻 Synechocystis sp. 这种重组酶利用光合作用产生的 NAD(P)H 将外源添加的底物催化还原成所需的产物，从而实现全细胞生物转化。通过将生物转化反应与生物物理测量相结合，相关研究证明了强大的人工电子汇能够竞争天然电子阀、黄二铁蛋白驱动的梅勒样反应和循环电子传递。这些结果表明，铁氧还蛋白-NAD(P)H-氧化还原酶是从还原铁氧还蛋白中输送光合电子的首选途径，而细胞中的 NADPH/NADP+比率是协调光合电子通量的关键因素。这些见解对于了解光合电子传递的分子机制以及通过细胞源/汇平衡工程来利用光合作用进行可持续生物生产至关重要。此外，我研究人员还得出结论，识别异源电子汇的生物能瓶颈是有针对性地设计光合生物转化平台的重要前提。本研究中蓝藻光合生理活性相关的叶绿素荧光，差示吸收数据通过双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100完成；NADPH荧光则由双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100的NADPH/9AA模块完成；Pc, P700和Fd的氧化还原状态数据通过四通道动态LED阵列近红外光谱仪DUAL-KLAS-NIR(DKN)测量完成；环式电子传递链的量化同样由DKN系统完成。
C4植物通常具有卓越的光能、水分和氮素利用效率，这些特性使它们在温暖气候条件下比C3植物具有更强的生长优势。C4循环作为一种高效的生化CO2浓缩机制，在叶肉细胞和维管束鞘(BS)细胞间发挥作用。这一过程有效提升了BS细胞中的CO2分压，为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)和卡尔文-本森-巴塞尔循环(C3循环)的其他酶提供了更为丰富的CO2环境。在BS叶绿体中，苹果酸的脱羧作用不仅释放出CO2，还促使NADP+还原为NADPH，并生成丙酮酸。丙酮酸随后返回叶肉细胞，并在那里被再生为PEP，从而闭合C4循环。将C3植物改造以实现C4光合作用，被认为是提升作物产量的一种有希望的策略，这激发了人们尝试将C4光合作用途径引入C3植物水稻的努力。然而，由于我们对C4光合作用分子机制的理解尚不完全，这些尝试受到了一定程度的限制。在C4植物中，电子传递反应需要为每个固定的CO2分子提供至少两个额外的ATP分子，以满足C4循环运作所需的PEP再生能量成本。即需要以 ATP 的形式输入额外的能量。NADH脱氢酶样复合体(NDH)在光系统 I(PSI)周围操作循环电子流(CEF)对C4光合作用非常重要，但CEF和NDH对细胞级电子通量的贡献仍然未知。
2024年7月22日，New Phytologist在线发表澳大利亚国立大学Maria Ermakova等人标题为Chloroplast NADH dehydrogenase-like complex-mediated cyclic electron flow is the main electron transport route in C4 bundle sheath cells的研究文章，文章旨在识别能够产生这些额外ATP的电子传递途径。研究发现NDH介导的环式电子传递是C4植物维管束鞘细胞中主要的电子传递途径。
研究团队首先使用CRISPR/Cas9基因编辑技术在狗尾草(Setaria viridis)中创建了ndhO的突变体。这些狗尾草突变体具有缺乏功能性NDH的ndhO等位基因，并开发了量化BS和叶肉细胞中通过NDH的电子流的方法。相关结果表明，CEF占BS细胞中PSI还原电子的84%，其中大部分电子通过NDH传递，而叶肉细胞中该复合体对电子传递的贡献微乎其微。缺乏NDH的植物叶片CO2同化率和生长速度下降，无法通过提供额外的CO2来挽救。此外，NDH介导的CEF是BS叶绿体中主要的电子传递途径，这凸显了NDH在BS细胞中产生C3循环固定CO2所需的ATP方面的重要作用。
总之，该研究为理解C4光合作用的分子机制提供了重要见解，并为将C4光合作用引入C3植物以提高作物生产力提供了潜在的策略。本研究中，分离出来的维管束鞘细胞的P700测量由PAM-101完成，叶绿素荧光和P700差示吸收光谱通过双通道荧光仪DUAL-PAM-100完成，跨类囊体膜质子动力势则通过P515/535模块完成。
2024年7月28日，New Phytologist发表了意大利帕多瓦大学Tomas Morosinotto等人题为“Mitochondrial respiration is essential for photosynthesis - dependent ATP supply of the plant cytosol”的研究文章，报道了关于线粒体呼吸对植物细胞质中ATP供应重要性的研究。本研究旨在解决为何线粒体呼吸在植物中必不可少的问题，具体区分两种假设：（i）线粒体呼吸是必需的，因为需要维持异养细胞以及光合作用不存在的异养发育阶段；（ii）线粒体呼吸对于光合作用存在时细胞内ATP供应至关重要。
Tomas Morosinotto等人选择小立碗藓（Physcomitrium patens）作为研究材料（因为它在整个发育过程中都是光自养的，从而能够分离出在其他植物中不可行的突变体），通过在小立碗藓中使用生物传感策略，检测了细胞质ATP浓度对光的响应变化。研究结果显示，光合作用驱动了细胞质中ATP浓度的增加，而线粒体呼吸有助于维持细胞质中ATP的稳定供应。在光照变化的条件下，植物细胞能够通过线粒体呼吸来稳定细胞质ATP水平，使其不受光照波动的影响，从而维持细胞的关键生理功能；复合体V缺陷突变体fAd的生长严重受阻，但光合活性仅有轻微改变，表明尽管叶绿体途径肯定对细胞内ATP供应有贡献，但当线粒体功能受损时，叶绿体无法完全补偿线粒体失活对细胞质ATP供应的影响，进一步强调了线粒体呼吸在细胞质ATP供应中的关键和主导作用。本研究中叶绿素荧光相关参数通过双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100完成。
2. Chen H, Song Y, Wang Y, et al. Zno nanoparticles: improving photosynthesis, shoot development, and phyllosphere microbiome composition in tea plants[J]. Journal of Nanobiotechnology, 2024, 22(1): 389.
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