拟南芥光系统II供体与受体侧蛋白缺失突变体的快速叶绿素a荧光诱导（OJIP）表型分析及其光合功能解析

《Plant Physiology and Biochemistry》：Fast chlorophyll a fluorescence induction (OJIP) phenotyping of Arabidopsis single and higher order mutants depleted of proteins involved in donor and acceptor side function of Photosystem II

本研究通过快速叶绿素a荧光诱导（OJIP）与JIP-test技术，系统性解析了拟南芥单突变体（ΔR/ΔO）与多突变体（ΔQ/ΔQR/ΔOQR）中光系统II（PSII）供体侧与受体侧功能缺陷，揭示了OEC蛋白（PsbO/PsbP/PsbQ/PsbR）在光合电子传递链中的协同作用与突变叠加效应，为光合作用机理研究提供了精准表型分析范式。

　　

Highlight

植物材料与生长条件

本研究所用拟南芥突变体系（哥伦比亚-0背景）均为已报道株系：单突变体psbr（ΔR）与psbo1（ΔO）、双突变体psbq1-psbq2（ΔQ）、三突变体psbq1-psbq2-psbr（ΔQR）及高阶突变体psbo1-psbp2-psbq1-psbq2-psbr（ΔOQR）。植物于土壤中培养3周，生长条件为16小时光照/8小时黑暗循环，光照强度100 μmol photons·m^-2·s^-1，温度22℃。

突变植株OEC蛋白组成的表征

首先通过免疫印迹分析比较突变体与野生型Col-0叶片提取物中OEC亚基（PsbO、PsbP、PsbQ、PsbR）及PSII反应中心蛋白（D1、D2）的组成。图1显示突变体中目标蛋白的积累情况，下层为考马斯蓝染色凝胶参照。结果显示ΔO中PsbO1完全缺失，ΔQ中PsbQ蛋白缺失，ΔR中PsbR蛋白缺失，而多突变体ΔQR与ΔOQR呈现相应蛋白的联合缺失模式。值得注意的是，ΔOQR中PsbP2蛋白（由PSBP2编码）也完全缺失，这与该突变体的遗传设计一致。

讨论

如前所述，拟南芥中PsbQ蛋白的完全缺失并未引起表型可见变化，这与在盐生植物Salicornia veneta和Arthrocnemum macrostachyum中的自然观察一致——这些物种中PsbQ缺失且仅检测到亚化学计量水平的PsbP蛋白。本研究通过OJIP瞬态分析与JIP-test参数，揭示了ΔQ突变体存在明显的PSII供体侧功能受损（表现为F_WOC指数降低），而ΔR突变体主要影响PSII受体侧功能（ET_O/RC、ET_O/TR_O、ET_O/ABS等参数均下降），暗示QB位点处醌交换受阻。ΔQR突变体表现出两种突变的叠加效应。ΔO突变体则因PsbO1缺失导致供体侧严重损伤（F_WOC指数骤降与OJIP曲线中显著K-band出现），显著抑制PSII光化学反应。高阶突变体ΔOQR的表型特征与ΔO高度相似，表明psbo1突变的主导性即使在多突变背景下依然显著。

结论

快速叶绿素a荧光（OJIP）瞬态分析与JIP-test长期被用于研究植物生理的光合特性，包括PSII光化学活性、功能天线大小、光合电子传递链氧化还原状态及光系统化学计量。本研究通过基于快速荧光的表型分析技术，揭示了拟南芥OEC蛋白突变体在不同光合环节的特异性缺陷，为理解PSII组装与功能调控提供了多层次证据。