小麦旗叶光合电子传递对黑暗诱导衰老的差异敏感性研究

【编辑推荐】为探究不同小麦品种光合电子传递链组分在衰老中的差异，研究人员以 32 个小麦品种旗叶为材料，通过黑暗诱导衰老模拟，结合 PF、DF 及 MR 技术，发现 PSII 供体侧、反应中心等均受损，且电子传递敏感性与叶绿素降解速率相关，为抗衰育种提供依据。

　　

小麦作为全球重要粮食作物，其产量提升对保障粮食安全至关重要。旗叶作为小麦生育后期主要的光合器官，其衰老进程直接影响光合持续时间和籽粒产量。然而，不同小麦品种在衰老过程中光合机构各组分的损伤模式差异尚不明确，且以往研究使用的品种数量有限，难以揭示不同品种间电子传递链损伤的规律及原因。在此背景下，河南省农业科学院小麦研究所联合郑州大学等机构的研究人员开展了相关研究，旨在明确光合电子传递链各组分对衰老的响应差异，为抗早衰小麦品种的选育提供理论依据。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》。

研究人员选取了 32 个黄淮海南部麦区主栽的冬小麦品种，通过离体黑暗处理模拟衰老过程，利用多功能植物效率分析仪（M-PEA）同步测定了快速叶绿素荧光（PF，即 OJIP 动力学）、延迟叶绿素荧光（DF）和调制 820nm 光反射（MR），系统分析了不同衰老速率小麦品种光合电子传递链的变化规律。

叶绿素含量变化与品种分组

研究发现，所有品种的旗叶叶绿素含量（以 SPAD 值表征）在黑暗处理后均呈现下降趋势。通过 k-means 聚类分析，将 32 个品种按叶绿素降解速率分为三组：慢衰老组（G1，9 个品种）、中衰老组（G2，14 个品种）和快衰老组（G3，9 个品种）。其中，G3 组叶绿素下降速率最快，G1 组最慢，且三组在黑暗处理第 2 天即出现显著差异。

光合电子传递链各组分的损伤特征

• PSII 供体侧与反应中心：通过 PF 的 OJIP 曲线分析发现，黑暗处理后，各组 PSII 的 O 点（初始荧光）显著升高，表明 PSII 天线色素与反应中心分离加剧，且 G3 组升高幅度最大。K-band（与 PSII 供体侧放氧复合体活性相关）和 L-band（反映 PSII 单元间能量耦合）强度随衰老进程增加，说明 PSII 供体侧稳定性和单元间能量交换能力下降，且快衰老品种损伤更严重。
• PSII 受体侧电子传递：J 点（Q_A^-向 Q_B的电子传递）和 I 点（质体醌池与 PSI 间的电子传递）的升高表明，PSII 受体侧电子传递受到抑制，且抑制程度随衰老速率加快而增强。参数 V_J（J 点相对荧光强度）和 V_I（I 点相对荧光强度）的变化进一步证实了 Q_A^-向 Q_B及质体醌向 PSI 的电子传递受阻。
• PSI 活性：MR 动力学分析显示，PSI 的氧化速率（V_ox）和还原速率（V_RED）在黑暗处理后均下降，表明 PSI 的氧化还原活性受损，且 G3 组下降幅度最大。ΔMR/MR₀的降低提示 PSI 的损伤程度可能高于 PSII。
• 延迟荧光（DF）特征：DF 诱导曲线的 I₁（与 PSII 反应中心 S₃Z⁺P₆₈₀Q_A^-状态相关）和 I₂（与 Q_B^-向质体醌的电子传递相关）值随衰老进程降低，而 I₂/I₁比值升高，表明 PSII 供体侧和受体侧的电子传递均受到抑制，且供体侧损伤更为优先。

电子传递链对衰老的敏感性差异

通过比较不同组别的参数变化幅度发现，光合电子传递链各组分对衰老的敏感性呈现从 PSII 供体侧到受体侧逐渐增加的趋势，即 PSII 受体侧下游电子载体（如 PSI）对衰老更为敏感。此外，不同品种组间电子传递链各环节的抑制顺序存在差异：慢衰老品种（G1）的 PSII 反应中心活性（φP_O）和电子传递效率（ψE_O）下降较慢，而快衰老品种（G3）的 PSI 受体侧电子接受能力（φR_O）和 PSII 单元间能量耦合（L-band）损伤更为显著。

研究结论与意义

该研究通过多品种聚类和多参数同步分析，系统揭示了小麦旗叶光合电子传递链各组分对黑暗诱导衰老的差异敏感性，证实了叶绿素降解速率是影响电子传递链损伤模式的关键因素。研究发现，PSII 供体侧稳定性、单元间能量耦合及 PSI 活性的差异可能是导致不同品种间光抑制抗性差异的重要原因。这些结果为深入理解小麦衰老过程中光合功能衰退的机制提供了新视角，并为抗早衰小麦品种的分子设计育种提供了理论依据和筛选指标。未来研究可进一步结合田间试验，验证电子传递链参数与实际产量的相关性，推动该成果在小麦抗逆育种中的应用。