植(zhi)物通過(guo)各種光保護機(ji)制應對光強度的突然(ran)增(zeng)加。硫(liu)氧還(huan)蛋白(bai)(Trx)系統的氧化(hua)還(huan)原(yuan)調(diao)節也(ye)有助于這一過(guo)程(cheng)。在以(yi)往的研究中，人們已經(jing)廣泛分析了f型(xing)和m型Trx在應對(dui)這種波動光照(zhao)條件(jian)時(shi)的功能(neng)，但對(dui)x型和y型Trx的功能卻(que)知之甚少(shao)。
2023年(nian)8月22日，Plant Physiology在線發表(biao)了日(ri)本岡山大學和京都產(chan)業大學聯合署名的題為x- and y-type thioredoxins maintain redox homeostasis on photosystem I acceptor side under fluctuating light的文(wen)章(zhang)。科研人員以擬南芥(Arabidopsis thaliana)為研究對象，分析了trx x單突(tu)，trx y1 trx y2雙突和trx × trx y1 trx y2三重突(tu)變體的(de)差異。對(dui)光(guang)合作用的(de)詳(xiang)細(xi)分(fen)析揭示了(le)在低光(guang)下trx x和trx × trx y1 trx y2中光系統(tong)I(PSI)參數的變化。在(zai)(zai)這些突(tu)變體中，PSI的(de)電子受(shou)體側比(bi)野生(sheng)型還原更多。這種(zhong)突(tu)變表型在(zai)(zai)波動的(de)光(guang)照條件下更為明(ming)顯。在(zai)(zai)低光(guang)和高光(guang)階段(duan)，PSI受(shou)體側在(zai)(zai)trx x和trx × trx y1 trx y2中受到很大限制(zhi)。在波(bo)動光處理(li)后，研究人員(yuan)觀(guan)察到trx x和trx × trx y1 trx y2擬南芥株系的PSI光抑制比(bi)野(ye)生(sheng)型更嚴重。此外(wai)，當在波動的光照條件(jian)下生(sheng)長(chang)時，trx x和trx × trx y1 trx y2植物表現出生長受損和(he)PSI蛋白(bai)亞基水(shui)平下降。這些結果表明，Trxx和(he)Trxy可以防止PSI受體側的氧(yang)化還原失衡，這是保護PSI免受光抑(yi)制所(suo)必需的，特別是在波動光下(xia)。此(ci)外，研究人員還認為Trxx和Trxy即使在恒定的(de)低光照(zhao)條件下也(ye)能保(bao)持氧化還原平衡，為(wei)光強度的(de)突(tu)然增(zeng)加做好準備(bei)。
本(ben)研(yan)究中，葉(xie)綠(lv)素(su)熒(ying)光(guang)和P700差示吸收，波動光(guang)(fluctuating light: 5min低光54 μmol m?2 s?1;1min高光1455 μmolm?2 s?1, 三個循環)模擬測量均通過DUAL-PAM-100雙通道調制葉綠素熒光儀完成。表征NDH活性的測量通過MINI-PAM-II完成。
下面是部分(fen)研究結果(guo)。
缺乏 Trx x 和 Trx y 對穩態光合作用的影響
波動光照對 WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2 植物光合作用的影響
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物在波動光光照條件下的可見表型
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物體內2-Cys Prx的氧化還原狀態
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物葉綠素熒光的瞬時增加表征NDH活性
自然(ran)界中的(de)植物(wu)通常暴(bao)露在(zai)波動的(de)光照下(xia)。當(dang)光照強度超過(guo)(guo)植物(wu)的(de)光合(he)作用(yong)能力時，過(guo)(guo)剩的(de)能量會(hui)形成活性氧（ROS），最終導致光抑(yi)(yi)制。葉綠體有(you)各種適應機制來(lai)避免光抑(yi)(yi)制，優(you)化光合(he)作用(yong)性能。
在光合作用的光反應中，光系統II(PSII)分裂水分產生的電子通過細胞色素b6f復合物和PSI轉移到NADP+，從而產生NADPH。電子傳遞與質子轉運相結合，在類囊體膜兩側產生質子梯度(ΔpH)，質子梯度用于ATP合成，也是誘導光保護機制所必需的。類囊體腔酸化會減緩通過細胞色素b6f復合物的電子傳遞，防止PSI的主要電子供體(P700)過度還原，這種機制被稱為光合作用控制(photosynthetic control)。在防止PSII氧化應激的機制中，類囊體腔酸化還能促使PSII天線吸收的多余光能熱耗散。這一過程被監測為葉綠素熒光的非光化學淬滅(NPQ)。PSI循環電子傳遞（PSI-CET）是誘導這兩種機制并保護PSI免受光抑制的必要條件。擬南芥（Arabidopsis thaliana）proton gradient regulation 5（pgr5）突變體在PSI-CET的主要途徑上存在缺陷，不能誘導光合控制和熱耗散，并且對強光和波動的光照條件很敏感。
硫氧還蛋白（Trx）系統的氧化還原調節也有助于靈活調節光合作用以應對光照強度的快速變化。在葉綠體中，兩個Trx系統以協調的方式發揮作用。NADPH-Trx還原酶C(NTRC)途徑是葉綠體所特有的，它主要以NADPH為電子供體還原2-Cys過氧化還原酶（2-Cys Prx）。隨后，2-Cys Prx清除過氧化氫并將其轉化為水。由于葉綠體中氧化還原失衡，NTRC（ntrc）缺陷突變體即使在持續弱光條件下也會表現出生長遲緩。
在第二種Trx系統，即鐵氧還蛋白(Fd)/Trx途徑中，Trxs通過Fd-Trx還原酶(FTR)被光合作用還原的Fd還原，還原的Trxs再還原目標酶，從而調節酶的結構和功能。擬南芥葉綠體中含有五種不同類型的Trx：兩種Trx f（f1和f2）、四種Trxm（m1、m2、m3和m4）、Trx x、兩種Trx y（y1和y2）以及Trx z。大多數與光合作用有關的酶，包括卡爾文-本森-巴塞爾姆（CBB）循環中的酶，白天活躍，夜間不活躍。大量體內和體外研究表明，Trx f和Trx m主要調節這些酶的活性。在從黑暗到照光的轉變過程中，需要Trx f快速激活CBB循環酶，以有效誘導光合作用。該研究組以前曾報道過，Trx f和依賴PGR5的PSI-CET通路在這一過程中協同發揮作用，防止光抑制。另外，在光照波動的強光階段，Trx m1和m2也是充分光合作用所必需的。
相比之下，人們對Trx x和Trx y在波動光條件下的作用知之甚少。在擬南芥基質中，Trx f和Trx m占葉綠體Trx蛋白總量的90%以上，而Trx x和Trx y分別只占總量的6.3%和1.3%。Trx x和Trx y在功能上相互關聯，主要作為抗氧化酶的還原底物。Trx y2是Prx Q、甲硫氨酸亞砜還原酶和依賴NADPH的單脫氫抗壞血酸還原酶的電子供體。Trx y缺失突變體(trx y1 trx y2)對強光和干旱的敏感性增加。體外實驗顯示，Trx x是2-Cys Prx最有效的還原劑，而NTRC似乎主要負責體內2-Cys Prx的還原。與ntrc突變體相比，Trx x缺失突變體(trx x)沒有表現出任何明顯的生長缺陷。然而，即使在正常生長條件下，將trx x 突變引入ntrc突變體背景也會加劇ntrc的生長缺陷。Trx y的缺失也略微加劇了ntrc的生長缺陷。這些結果表明，Trx x和Trx y在光合作用中也有重要功能。
在此，研究人員對trx x單突變體、trx y1 trx y2雙突變體和trx × trx y1 trx y2三突變體進行了表征。在trx x中，PSI的受體側限制Y(NA)在波動的光照處理下增加，導致PSI光抑制。這種表型在trx × trx y1 trx y2中更為突出。在波動光照條件下生長時，trx x和trx × trx y1 trx y2表現出嚴重的生長缺陷。結果表明，Trx x和Trx y對PSI受體側調控做出了貢獻。
Yuki Okegawa, Nozomi Sato, Rino Nakakura, et al. [J]. Plant Physiology, 2023, kiad466.