光明与黑暗之间植物如何在不断变化的光照条件下优化光合作用

对于研究，植物经常在稳定的光照下生长，这并不反映自然条件。来自波茨坦戈尔姆​​(德国)马克斯普朗克分子植物生理学研究所和密歇根州立大学(美国)自然科学学院的研究人员在一系列改变光照条件、模拟光影自然相互作用的实验中揭示两种关键蛋白质对光合作用动态控制的重要性。该研究最近发表在《新植物学家》杂志上。

植物进行光合作用来生长。在这个过程中，它们利用来自阳光的能量，释放氧气，并产生碳水化合物，这些碳水化合物是地球上所有人类和几乎所有动物的基本食物来源。在自然条件下，光照可用性可以在很短的时间内迅速变化。

主要原因之一是云在经过太阳前时提供光影。植物的叶子和树枝在被风吹动时也可以暂时遮荫。当光照有限时，植物不能从阴凉处移动到阳光下，反之，当暴露在过多的阳光下时，植物也不能从阳光下躲避到阴凉处。他们必须以其他方式应对不断变化的光照条件。

就像人类一样，过多的阳光对植物有害。特别是，微弱光和强光之间的快速变化是有问题的。就像我们眼睛中的视网膜一样，植物利用叶子中的分子来捕捉光粒子。当光线较暗时，这些光陷阱可以非常有效地捕捉尽可能多的微光。

如果光照条件突然改变，过多的光能可能会到达植物。这种能量会使植物细胞内敏感的光合作用装置过载或损坏。因此，植物一方面必须不断调整其光合活动以适应其环境条件，以获得最大的光输出，另一方面又要避免被过多的光所伤害。

迄今为止，温室和实验室中的植物几乎完全在稳定和均匀的光照条件下生长。因此，我们对适应不断变化的光照条件如何工作的理解非常有限。在最坏的情况下，这可能导致植物在实验室和温室中生长良好，但在田间培养时突然表现比预期差得多。

在变化的光照条件下调节光合作用

Potsdam-Golm的MPI-MP的UteArmbruster博士和密歇根州立大学(美国)自然科学学院的DavidKramer周围的研究人员对模式植物拟南芥进行了研究。植物在各种条件下生长，包括静态、波动和自然光。

该研究重点关注两种离子转运蛋白VCCN1和KEA3，它们在动态调节光合性能方面发挥着关键作用。从早期的研究中得知，如果光线突然变得太强，VCCN1会激活防晒功能。当光照强度降低时，第二种蛋白质KEA3会迅速分解这种防晒保护，使植物能够再次吸收更多光照。然而，从未在现实光照条件下检查过VCCN1和KEA3这两种蛋白质。

研究人员使用一种创新的新方法来测量光合作用，并结合有针对性地使用基因敲除——即VCCN1和KEA3基因已被关闭的植物。他们表明，蛋白质VCCN1和KEA3的活性取决于植物生长的光照条件。

根据植物栽培基础设施组负责人KarinKöhl博士的建议，研究人员在分析中重点关注了两个与生长相关的光因素，并能够表明植物接收到的光量和光的频率波动对两种离子转运蛋白的功能有很大影响。VCCN1的保护功能仅对以前在弱光下生长的植物很重要。

另一方面，当植物在光照强度较高的条件下生长时，取消保护的KEA3甚至在高光期也很活跃。防晒还取决于植物所暴露的光波动程度。当光照条件发生显着变化时，植物会产生橙色色素玉米黄质，这也与防晒有关。这种防晒霜的产生在高光条件下也会被KEA3抑制。

“我们的研究表明，我们不应该单独看待生长光的影响和对光波动的快速反应，”研究的主要作者TheklavonBismarck说。“以越来越复杂的方式整合多个时间尺度和代谢水平将是作物研究未来的主要挑战。这将为提高田间作物产量提供关键思路。”