拟南芥光系统I与II波长依赖性激发比定量研究揭示光合能量分配新机制

本研究针对光合作用中光系统I（PSI）与光系统II（PSII）能量分配难以精确量化的难题，通过 streak-camera 系统直接测量了430–630 nm波长范围内拟南芥叶片PSII/(PSI+PSII)激发比（0.60±0.01），并结合吸收光谱拟合首次计算出反应中心比值为0.58±0.004。研究发现暗适应超复合物组织中PSII存在过度激发现象，并通过ΦPSI/ΦPSII光响应曲线证明状态转换可有效平衡光能分配。该研究为光合模型优化提供了关键参数，对理解植物光适应策略具有重要意义。

　　

在绿色植物的光合作用舞台上，光系统II（PSII）和光系统I（PSI）如同两个默契配合的舞者，共同完成将光能转化为化学能的精密表演。然而这两个光系统对光能的吸收偏好并不相同——PSII富含叶绿素b，在470nm和650nm附近有更强吸收；而PSI则拥有红移的叶绿素，在远红光下更具优势。这种差异导致在不同光照条件下，两个光系统承受的激发压力会发生变化，就像两个舞者有时会争抢聚光灯一样。

植物虽然演化出了多种调节机制来平衡这种能量分配，如非光化学淬灭（NPQ）处理多余PSII激发、状态转换调整天线大小、以及长期的光适应改变反应中心比例等，但科学家们一直缺乏精确量化光能在两个光系统间分配的方法。传统生化方法会破坏天然超复合物结构，而荧光技术又受PSII强荧光信号主导，难以准确解析PSI的贡献。正是这个技术瓶颈，促使荷兰瓦赫宁根大学的研究团队开展了这项创新研究。

研究人员采用 streak-camera 系统这一先进技术手段，结合时间分辨荧光测量、吸收光谱构建和脉冲调制振幅（PAM）测量等方法，对模式植物拟南芥进行了深入分析。他们特别关注了430-630nm波长范围，这个区间涵盖了类胡萝卜素和叶绿素b的关键吸收区域。

研究团队首先通过streak-camera系统测量了DCMU处理的拟南芥叶片，获得了PSI和PSII的荧光寿命及光谱。数据显示PSII平均寿命为2.07±0.04ns，PSI为89.8±0.7ps，这些数值与封闭反应中心的预期行为一致。通过全局分析构建衰减关联光谱（DAS），并利用分离的LHCII光谱进行再吸收校正，研究人员成功量化了每个波长下的PSII/(PSI+PSII)激发比。

令人惊讶的是，在整个430-630nm范围内，PSII的贡献始终高于PSI。由于PSII天线中含有更多叶绿素b色素，其在460-490nm波段的激发比更高；而PSI中类胡萝卜素的吸收则在520nm附近降低了该比值。研究人员通过拟合实验测得的激发比与基于分离复合物吸收光谱构建的理论吸收比，发现当PSII/(PSI+PSII)反应中心比值为0.58±0.004时，两者在530-630nm无类胡萝卜素吸收区域表现出最佳一致性。

加权平均计算显示，在430-630nm范围内，PSII的激发比为0.60±0.001（即PSII/PSI激发比为1.5），这意味着在暗适应状态下，PSII被激发的可能性是PSI的1.5倍。这样的激发比例是否合理？对于线性电子传递链，理论上期望PSII/PSI电荷分离比为1.0，而实际比例还取决于两者的量子产率比值（ΦPSII/ΦPSI）。

通过DUAL-PAM-100系统测量光响应曲线，研究人员发现ΦPSII/ΦPSI从弱光下的0.92±0.03降至强光下的0.70±0.10。与暗适应组织预测的0.65比值相比，实测值在372μmol m^-2 s^-1及以上光强时无显著差异，表明在中等至高光强下，暗适应组织会导致PSII过度激发。

然而，状态转换测量显示最大qT值对应PSII天线减少11±1%，相当于每个PSII核心减少0.55±0.05个LHCII三聚体；同时PSI天线增加17±2%，即每个PSI核心增加0.76±0.07个LHCII三聚体。这种调整使PSII/PSI激发比降至1.14，预期量子产率比值升至0.88±0.006，与弱光下实测值高度一致。

研究表明，状态转换在从弱光（主要状态II组织）到强光（主要状态I组织）的光强范围内都起着重要的调节作用。植物在黑暗中组织其光捕获天线，使其在中等至高光强下达到最佳工作状态，这种策略可能反映了植物进化过程中形成的保护机制——宁愿让PSII承担过量激发风险，也不让更难修复的PSI受损。

该研究首次直接测量了波长依赖的PSI/PSII激发比，并建立了其与反应中心比值的定量关系，为光合作用模型提供了关键参数。研究发现的激发不平衡现象及其调节机制，不仅深化了我们对植物光适应策略的理解，也为未来作物光效改良提供了理论依据。相关成果发表在《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》上，展示了先进光谱技术在揭示光合机制中的强大能力。