C4植物玉米在热胁迫下光合系统的敏感性

C4植物玉米在热胁迫下光合系统的敏感性1.研究背景叶片温度超过38°C时净光合速率受到抑制，而与逐渐升温相比，抑制程度在温度迅速升高时更严重。蒸腾速率随温度升高逐渐增强，表明光合抑制与气孔关闭无关。非光化学荧光淬灭在叶片温度超过30°C时增强，表明不同温度下类囊体激发能的增强不会抑制净光合速率Pn。叶片温度达到了45°C时，光系统IIFv/Fm相对CO2同化率不敏感。当叶片温度超过40°C时，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活化状态少量减少；当温度达到45°C时，丙酮酸磷酸双激酶对温度不敏感。温度超过32.5°C时，Rubisco的活化状态下降，而45°C时几乎全部处于不活化状态。叶片温度升高时，3-磷酸甘油酸和核酮糖-1,5-二磷酸下降和升高，同时Rubisco活性下降。Rubisco活性以与Pn相似的方式适应高温，这种适应与新活化酶的表达有关。得出Rubisco的失活是温度超过30°C时，玉米叶片净Pn的主要限制因素。已知C4植物比C3植物有更高的最适温度，因为CO2泵的运行抑制了Rubisco加氧酶活性。在C3植物中，在适度高温时净Pn的抑制经常是由于Rubisco加氧酶：Rubisco羧化酶活性比率的上升。因为温度升高，O2/CO2的溶解率和Rubisco需氧率升高，因此提高了加氧酶的活性并引起了Pn的抑制。结果是当C3植物暴露于高CO2和/或低O2等条件下，引起加氧酶活性降低，Pn的最适温度上升。对于C3和C4植物，Pn的最适温度范围很广，而在超过这个温度范围时，Pn下降。C3植物中温度引起的Pn的下降与Rubisco的失活密切相关，当Rubisco活化状态和气体溶解度被考虑在内时，在给定任何温度时的Pn率或CO2orO2气体水平反应了Rubisco动力学。温度引起C3植物的Rubisco活性的下降和Pn的抑制，导致了温度升高时Rubisco活化酶的大量失活以跟上Rubisco活化酶更快速率的失活。活化酶的动力学和物理变性似乎是高温下Rubisco活性下降的原因。2.意义C4植物比C3植物有更高的最适温度，但当叶片温度超过38°C时，Pn通常受到抑制。两种光合类型的CO2固定主要限制因素是Rubisco活性。高温对于C4植物光合机制的影响少被研究，假设高温可能导致Rubisco失活并限制Pn，与C3植物相似的方式。可是，高温可能也影响C4的光合进程，比如PEP羧化酶催化的CO2固定，引起C4内部PSII不同部位和卡尔文循环中酸从叶肉细胞到维管束鞘细胞的穿梭运动或者能量平衡。因此，我们的目的是探究热胁迫对光合进程的影响，包括玉米叶片Rubisco活性，PEP羧化酶活性和丙酮酸磷酸双激酶PPDK，PSII稳定性。玉米叶片中对热最敏感的进程是Rubisco活化酶引起的Rubisco的激活，热适应与活化酶异常形式的表达水平有关。

3.结果3.1

PnPn最适温度范围从28°C到37.5°C。

当温度超过37.5°C时Pn受抑制，快速升温与逐渐升温相比受抑制程度更大。例如，45°C时Pn抑制率分别是95%，50%。大气中CO2含量的升高不会改变Pn对高温的响应。其他植物的研究表明，热胁迫引起的Pn抑制与气孔闭合率和气孔导率无关，原因是蒸腾的增强和叶片温度的升高。3.2

ChlorophyllFluorescence非光化学荧光淬灭qN对叶片温度敏感，发生在32.5°Cto37.5°C时有明显的上升。Fv/Fm在叶片逐渐升高到42.5°C时，相对于qN不敏感。当叶片温度升高超过42.5°C时，Fv/Fm下降到80%以下相对28°C对照组。可在45°C时，Fv/Fm仍是28°C对照组的70%。3.3酶

C4光合系统有2种关键酶：PPDK和PEP羧化酶。首先测定叶片的最高抑制温度或者酶的最高抑制温度。在28°C获取叶片样本，在30°C和45°C试验，PEP羧化酶活性在45°C时较高，PPDK的活性在30°C和45°C时相似。因此体外试验表明，这两种酶都对高温耐受。当在45°C下提取叶片，PPDK活性与28°C对照组在30°C下试验时，活性相近。PEP羧化酶活性在最适条件下测定可反应酶的总位能活性，在叶片温度上升到45°C时不敏感。可是，当在限定的底物浓度和在抑制剂苹果酸存在的条件，从热胁迫叶片中提取的酶比起被苹果酸抑制时更敏感。例如，叶片温度是28°C时苹果酸抑制PEP羧化酶活性的50%，然而叶片温度40°C和45°C时分别是59%和66%。3.4Rubisco活性温度超过28°C时Rubisco活性逐渐下降。当叶片迅速升温到40°C时，激活状态降低到28°C对照组的58%。迅速升温到45°C导致Rubisco的几乎完全失活。相比之下，叶片温度逐渐上升时，Rubisco在42.5°C或45°C时失活不太严重，表明对活化过程的适应。温度引起的Rubisco的失活与3-PGA的显著下降和RuBP的适度上升有关(TableII)。这些数据与叶片温度上升时Rubisco引起的RuBP羧化下降一致。3.5对高温的适应高温通过作用于Rubisco活化酶来降低C3植物Rubisco的活性。在一些植物中，高温引起光合机构和显著的活化酶异常。玉米在2天的热胁迫后，活化酶显著积累(Fig.5)。热胁迫8h后存在新的活化酶多肽在WB中可逐渐看到。4.讨论4.1Pn玉米的Pn耐受高温，直到37.5°C才能观察到抑制(Fig.1)。当叶片温度逐渐上升时，Pn有显著的适应，因此甚至在极限温度45°C时保持最大比率的50%。这种程度的适应比相同条件下种植和分析的C3植物棉花和小麦中更大。在高CO2浓度下，玉米的Pn对温度的总体反应与C3植物相似。这种相似性表明玉米的CO2浓度机制为高温下C3植物的光合抑制提供了重要的修复基础。4.2ChlorophyllFluorescence高温对玉米叶绿素荧光的影响与C3植物相似，qN的变化发生在Fv/Fm的抑制之前。32.5°Cto37.5°C,qN上升表明类囊体激发能与ATP:ADP比率上升有关。对C3植物而言，热胁迫引起的qN上升与Pn的下降有关，且被认为表明了卡尔文循环活性的抑制。可是，当温度升高到37.5°C时玉米不受抑制。光合可利用的能量增多，却不会提高Pn率，因为Rubisco活化状态受限制。高温胁迫导致了Fv/Fm的下降但这种抑制在超过临界温度42.5°C之前很低(Fig.3)。PSII对高温敏感，并被认为是光合作用中最热敏感的组分。在非常高的温度如45°C时，Fv/Fm显著下降，可能是PSII的损伤导致了Pn的抑制。玉米和一些C3植物的qN的变化，Rubisco活化状态的降低，总发生于叶片温度低于抑制Fv/Fm所需温度。4.3C4EnzymesPEP羧化酶和PPDK是关键的C4酶，都受光/暗调节。因热胁迫导致的酶活性的降低，尤其是对PPDK的低活性，可能降低可用于脱羧作用的C4酸，因此限制了提供给Rubisco的CO2。在给定条件下保护体内酶的活化状态，未检测到PPDK受到抑制(TableI)，甚至在Pn完全受抑制时的温度(Fig.1)。尽管总PEP羧化酶活性对叶片温度达到45°C敏感，但是40°C或更高温度时少量敏感(TableI)。如果温度对调节激酶或磷酸酶的活性有不同的影响，降低了PEP羧化酶在光下的磷酸化程度，PEP羧化酶的明显失活可被解释。高温如何影响草酰乙酸，苹果酸，和ASP的水平尚未可知，但是这些代谢物水平的增加，和PEP羧化酶对抑制的敏感性的增强会降低PEP羧化酶的活性并可能在叶片温度超过40°C时影响Pn。4.4RubiscoActivation

28°C在37.5°C之间，Pn是个常量(Fig.1)，但Rubisco活性降低(Fig.4)，与C3植物在充足CO2和O2的条件下测得结果相似。当叶片温度快速上升到40°C或更高时，玉米的活化状态和Pn下降到接近0水平。所测数据表明，高温下Rubisco失活与Pn的抑制密切相关。28°C在37.5°C时，Rubisco失活并无Pn的抑制(Fig.1)，可被C4植物的CO2泵解释。高温时Rubisco活性降低，但是叶肉叶绿体中的高水平的CO2允许活化状态的Rubisco的温度依赖的催化周转率上升，因此抵消了活化状态降低的影响直到温度达到了40°C。玉米的CO2泵系统在28°C和37.5°C时，能够减轻Pn的抑制，但是Rubisco的进一步失活阻止了Pn的上升。当Pn适应温度对Rubisco活性的影响(Fig.6)，温度的反应与超过温度范围时实验测得数据密切相关(Fig.1)。因此，与C3植物相似，Rubisco活性降低可能是玉米叶片温度上升时Pn的主要限制因素。假设玉米叶片随温度升高，Rubisco的失活机制与C3植物相似，随温度上升，失活速率大于Rubisco活化速率。qN的上升（Fig.3)表明ATP的供应不能限制Pn。非循环光合磷酸化产生的ATP似乎在高温下受刺激，在分离出的叶绿体中，高温引起了ATP:ADP比率的上升。同时RuBP水平上升，即使温度超过了40°C(TableII)。这些结果表明能量供应对于光合碳代谢包括维管束鞘和叶肉细胞内的代谢转换和RuBP的再生，不是限制。在超过28°Cto37.5°C范围时，Rubisco活化酶的不能维持一个高的Rubisco活化状态是Pn的重要限制。叶片温度上升超过37.5°C时，活化的Rubisco催化周转率的上升很明显不能克服酶的失活，导致了Pn的抑制。PEP羧化酶的失活和PSII的损伤也在高温下对Pn的抑制起到重要作用。我们怀疑极端高温对活化酶的物理稳定性的直接作用可能是限制Rubisco活性的主要因素。在40°C时，体内外活化酶变性。4.5对高温的适应当温度逐渐升高时，Pn和Rubisco活化酶对高温的适应很重要的，这种适应与一种新的活化酶多肽(Fig.5)的出现有关。构成活化酶的多肽的合成增多，或者异常的多肽合成增多，这种响应机制在小麦和棉花中均有出现。因此，产生新的活化酶多肽应对高温胁迫在植物中似乎是广泛存在的。5.结论结