缺铁植物如何优化光合作用和调节光保护

由于气候变化对植物生长和食物供应构成风险，研究人员已经确定缺铁植物如何优化光合作用和调节光保护。

　　

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上，展示了缺铁植物如何优化光合作用，并描述了缺铁植物调节光保护的遗传过程。

达特茅斯大学生物科学教授、该研究的高级研究员玛丽·卢·格里诺特(Mary Lou Guerinot)说:“我们正试图确定控制植物中阳光捕捉和转换效率的下游基因。”“这项研究增加了我们对植物如何在人类食物供应的关键时刻对环境变化做出反应的了解。”

铁对人体血液中的氧气运输很重要，是许多酶反应的关键辅助因子，包括线粒体中的能量生成。根据该研究引用的研究，缺铁是人类最普遍的营养失调。

铁也是植物的重要营养物质。缺铁严重限制了光合作用，导致产量下降。

由于大多数人从植物中获取大部分热量和营养，研究人员了解植物如何处理矿物质是很重要的。

“缺铁对光合作用有许多不利影响，”Guerinot说。“至关重要的是，植物在获得足够水平的铁的同时，也要调节新陈代谢，以弥补铁的可用性和光合作用效率的降低。”

根据这篇论文，植物的铁吸收系统是由一系列的活动调节的，其中许多活动已经被达特茅斯大学的格里诺特实验室发现。在缺铁期间，植物通过改变基因表达来增加铁的吸收、分配和利用。

虽然植物根对缺铁的反应已知很多，但对叶片对缺铁反应的调控却知之甚少。

这项研究的重点是“光系统II”，这是一种蛋白质复合物，它执行光合作用的水分分解过程，使光能在叶子中转化为化学能。本文认为，光系统II是缺铁叶片叶绿体损伤的主要目标。叶绿体——植物中产生能量的光合作用发生的地方——将90%的铁储存在植物叶子中。

“许多优化铁利用的策略已经被记录下来，但在这项研究之前，我们对叶绿体适应缺铁的机制知之甚少，”达特茅斯大学的博士生Garo Akmakjian说，他是这项研究的主要作者。

研究小组缩小了他们的调查范围，通过追踪光诱导的叶子漂白的原因，这是在缺铁的突变体中观察到的，该突变体未能制造调节蛋白ILR3。在植物的“强光胁迫”中，白化现象很常见，这给研究人员提供了一个线索，即这些突变植物现在对光更加敏感。

研究表明，调控蛋白ILR3和PYE可以保护植物在缺铁期间不吸收过多的光。在这些蛋白质的控制下，叶绿体内部结构的变化允许光系统II的修复，防止有害活性氧的产生。

“我们发现多余的光会导致叶子漂白和死亡在缺铁,但ILR3和派伊的活动可以防止光线变得有毒,使光合作用发生在不相关的组织损伤iron-starved植物,“Akmakjian说,现在加州大学的博士后研究员,河畔。

研究小组希望了解植物在缺铁期间如何适应其光合作用机制，从而使研究人员能够在铁不可生物利用的土壤中优化植物的生长。

“随着气候变化，我们种植作物的地点和方式也在发生变化，”Guerinot说。“在未来，我们将不再奢侈地只在营养丰富、水源充足的肥沃土壤上种植作物。”

达特茅斯学院的研究生Nabila Riaz参与了这项研究，并提供了使用国家同步加速器光源II的x射线荧光微探针(XFM)束线4-BM的同步加速器x射线荧光光谱图像。

Journal Reference:

1. Garo Z. Akmakjian, Nabila Riaz, Mary Lou Guerinot. Photoprotection during iron deficiency is mediated by the bHLH transcription factors PYE and ILR3. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (40): e2024918118 DOI: 10.1073/pnas.2024918118