植物如何在不断变化的光照条件下优化光合作用

为了研究，植物通常生长在稳定的光照下，这并不能反映自然条件。在一系列改变光条件的实验中，模拟光和阴影的自然相互作用，来自波茨坦-戈姆(德国)马克斯·普朗克分子植物生理学研究所(德国)和密歇根州立大学自然科学学院(美国)的研究人员揭示了两种关键蛋白质对光合作用动态控制的重要性。

植物通过光合作用来生长。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，这是所有人类和地球上几乎所有动物的基本食物资源。在自然条件下，光可用性可以在很短的时间内迅速变化。其中一个主要原因是云在太阳前面经过时会产生光和影。当植物的叶子和树枝被风吹动时，它们也可以暂时提供阴凉。当光线有限时，植物不能从阴凉处向阳光移动;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。它们必须以其他方式应对不断变化的光照条件。

就像对人类一样，过多的阳光对植物有害。特别是，微弱和强烈光线之间的快速变化是有问题的。就像我们眼睛的视网膜一样，植物利用树叶中的分子来捕捉光粒子。当光线较弱时，这些光阱能非常有效地捕捉尽可能多的弱光。如果光照条件突然改变，太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装置超负荷或损坏。因此，植物必须不断地使其光合作用活动适应环境条件，以一方面获得最大的光产量，另一方面又避免受到过多光的伤害。

迄今为止，温室和实验室里的植物几乎都是在稳定和均匀的光照条件下生长的。因此，我们对如何适应不断变化的光照条件的理解是非常有限的。在最坏的情况下，这可能导致植物在实验室和温室里生长良好，但在田间培养时，表现突然比预期差得多。

光照条件变化下光合作用的调节

波茨坦-戈姆马克斯普朗克分子植物生理学研究所的Ute Armbruster和美国密歇根州立大学自然科学学院的David Kramer周围的研究人员在他们的研究中研究了模式植物拟南芥。植物在各种各样的条件下生长，包括静态、波动和自然光。这项研究重点研究了两种离子转运蛋白，即VCCN1和KEA3，它们在动态调节光合作用性能方面起着关键作用。从早期的研究中得知，如果光线突然变得过于强烈，VCCN1就会激活防晒功能。当光强减弱时，第二种蛋白质KEA3会迅速分解这种防晒物质，这样植物就能再次获得更多的光。然而，VCCN1和KEA3这两种蛋白质从未在现实的光照条件下被检测过。

研究人员使用了一种创新的新方法来测量光合作用，并有针对性地使用基因敲除(即VCCN1和KEA3基因被关闭的植物)。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小组负责人Karin博士K?hl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子，并能够证明植物接受的光量和光波动的频率对两种离子转运体的功能都有很强的影响。VCCN1的保护功能只在以前在低光环境下生长的植物中起作用。相反，取消保护的KEA3即使在强光条件下生长，在强光时期也有活性。

防晒还取决于植物暴露在光波动的程度。当光照条件发生显著变化时，植物会产生橙色色素玉米黄质，这也与防晒有关。在强光条件下，这种防晒霜的产生也会被KEA3抑制。“我们的研究表明，我们不应该分别看待生长光的影响和对光波动的快速反应，”该研究的主要作者Thekla von Bismarck说，并补充说:“以日益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。”

Journal Reference:

1. Thekla von Bismarck, Kübra Korkmaz, Jeremy Ruß, Kira Skurk, Elias Kaiser, Viviana Correa Galvis, Jeffrey A. Cruz, Deserah D. Strand, Karin Köhl, Jürgen Eirich, Iris Finkemeier, Peter Jahns, David M. Kramer, Ute Armbruster. Light acclimation interacts with thylakoid ion transport to govern the dynamics of photosynthesis in Arabidopsis. New Phytologist, 2022; 237 (1): 160 DOI: 10.1111/nph.18534