CRY1a缺失番茄突变体在蓝光、绿光及蓝/绿组合下的光合、色素与叶绿体结构适应

《Plants》：Effects of Blue and Green Light on Pigment Content, Photosynthesis, and Chloroplast Structure in CRY1a-Deficient Tomato Mutants

　　

隐花色素1a（CRY1a）介导番茄蓝光信号，但其对蓝光和绿光组合适应的贡献仍未阐明。研究人员利用气体交换、A/C_i曲线、叶绿素荧光、色素组成、电子显微镜、转录本丰度和酚类代谢，比较了野生型（WT）与cry1植株在白荧光灯（WFL）、蓝光（BL）、绿光（GL）及BL/GL下的表现。在BL下，cry1的光合速率、气孔导度和Y(II)较低，尽管叶绿素含量和基粒面积较高。在BL/GL下，cry1的光合速率和气孔导度约低35%，V_cmax、J_max和TPU降低48–57%。cry1的Y(II)低于WT，Y(NO)高于WT。在BL/GL下，cry1的基粒面积较低，而淀粉粒面积、基质面积和质体小球数量差异较小且无统计学显著性。转录本响应随光谱和功能组而异。这些结果支持CRY1a参与光质适应中结构与生理的协调。BL/GL响应与CO₂供应和碳利用之间的失衡一致，该失衡可能促进光保护反馈。

研究背景：光不仅提供光合能量，还调控叶片发育和功能状态。蓝光（BL）主要被叶片上层吸收，绿光（GL）穿透更深并支持内层叶肉光合；同一光子通量密度下二者空间激发分布和信号响应不同。番茄有CRY1a、CRY1b、CRY2和CRY3，CRY1a是营养器官主要CRY1型隐花色素，参与光形态建成、色素组成、强光耐受、激素稳态和类胡萝卜素代谢；其缺失可能同时影响光形态建成、苯丙烷生物合成、光合机构发育和抗氧化防御。已有研究多关注高强度BL和UV-B，对中等BL、GL及其组合关注不足；CRY1a相关光捕获和保护代谢如何与气孔和叶肉响应协调尚不清楚。因此，研究人员比较WT和CRY1a缺失系cry1在WFL、BL、GL和BL/GL下的适应，检验cry1在气孔与叶肉响应协调上是否不同，以及光合速率（Pn）变化主要与气孔导度（g_s）还是A/C_i曲线参数和光化学活性伴随。

研究开展与意义：研究人员以番茄Moneymaker背景WT LA2706和辐射诱导CRY1a功能缺失系LA4359（cry1；来自Tomato Genetics Resource Center, University of California, Davis, CA, USA）为材料，在四种光谱下处理14天，比较气体交换、A/C_i曲线、叶绿素a荧光、色素、叶绿体超微结构、转录本和酚类代谢。结果支持CRY1a参与光质适应中结构与生理协调；BL/GL下cry1表现最大相对光合降低，与CO₂供应和碳利用失衡及光保护反馈一致。其意义在于把CRY1a功能从蓝光信号扩展到蓝/绿光组合下的气孔—叶肉协调和光保护反馈。

关键技术方法：以WT和cry1为材料，在WFL、BL、GL及1:1光子通量比BL/GL下处理14天；用便携式红外气体分析仪测定Pn、g_s和蒸腾速率（E），并用A/C_i曲线估算V_cmax、J_max、TPU和羧化效率（CE）；用IMAGING-PAM叶绿素荧光仪测Y(II)、Y(NPQ)、Y(NO)；分光光度法测光合色素；透射电镜（TEM）结合形态计量测淀粉粒面积、基粒面积、基质面积和质体小球数；逆转录定量PCR（RT–qPCR）测光信号、苯丙烷合成、光合/光保护和抗氧化/气孔调控基因转录本；测UV吸收化合物、总酚、总黄酮及ABTS/DPPH抗自由基活性；每处理4个独立生物学重复，单因素方差分析和Duncan多重比较。

研究结果：
2.1 气体交换与光合参数：气体交换显示WT在BL下Pn、g_s、E最高；cry1在WFL、BL和BL/GL下较低，BL/GL下Pn和g_s约低35%，E约低40%。A/C_i曲线显示WFL和BL下V_cmax、J_max、TPU无显著基因型差异，BL/GL下cry1低48–57%，CE降低63.5%（0.085降至0.031 μmol CO₂ m^?2 s^?1 Pa^?1）；GL下无显著差异。结论：BL/GL下气孔CO₂流入与光合参数同时改变，气孔和非气孔贡献不能仅由这些比较区分。
2.2 叶绿素a荧光：共同蓝光化光下，WFL下Y(II)和Y(NPQ)无显著差异而cry1 Y(NO)较低；BL和BL/GL下cry1 Y(II)较低而Y(NPQ)、Y(NO)较高；GL下Y(II)较低伴Y(NPQ)较高、Y(NO)较低。结论：光质适应改变光系统II（PSII）能量分配。
2.3 光合色素与叶绿体超微结构：
2.3.1 光合色素：分光光度法显示WFL下cry1叶绿素a、b和类胡萝卜素分别低14.6%、18.4%和26.4%；BL下叶绿素a、b高44.9%和50.7%，类胡萝卜素高16.2%但不显著；BL/GL下叶绿素a、b低12.1%和14.8%，类胡萝卜素低13.5%不显著；GL下三者低40.6%、34.1%和33.0%且显著。结论：cry1叶绿素显著增加仅见BL，类胡萝卜素在任何光处理下未显著增加。
2.3.2 叶绿体超微结构：TEM和形态计量显示WFL下cry1基质面积减小、质体小球数和淀粉粒面积增加而基粒面积无显著差异；BL下淀粉粒面积和质体小球数较低、基粒面积较大、基质面积增加；GL下淀粉粒面积低43%、基质面积较大，基粒面积和质体小球数无显著差异；BL/GL下基粒面积较低，淀粉粒面积、基质面积和质体小球数差异不显著。结论：不同光谱下叶绿体结构适应不同，BL与BL/GL下基粒面积方向相反。
2.4 相对转录本水平：RT–qPCR显示WFL下cry1 PIF4、HY5、COP1、SPA1、SLAC1和AHA2较高，多数苯丙烷合成基因、光合/光保护基因和APX1较低；BL下多数测定转录本较低而LHCB2高1.43倍；BL/GL下PSBS、VDE、RBCS和LHCB2升高、ZEP降低，MYB12升高、PAL和FLS降低、CHS无差异，AHA2降低而SLAC1升高；GL下多数降低，LHCB2和SPA1升高，PSBS、RBCS、APX1和SLAC1无显著差异。结论：转录响应依赖光谱和功能组，单独转录本丰度不足以解释光保护响应。
2.5 酚类化合物与抗自由基活性：比色/分光光度法显示cry1 UV吸收化合物在WFL、BL、BL/GL和GL下分别低20%、43%、54%和49%；总酚低38%、82%、93%和88%；总黄酮WFL无显著差异，BL下由1.99升至2.83，GL无显著差异；ABTS（2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）法下cry1在WFL高1.85倍而在BL、BL/GL和GL低77%、51%和37%；DPPH（1,1-二苯基-2-三硝基苯肼）法下WFL无差异而BL、BL/GL和GL低84%、32%和78%。结论：酚类代谢和抗自由基能力呈光谱依赖差异。

讨论总结与结论翻译：讨论指出WT–cry1比较揭示气体交换、PSII能量分配、色素积累、叶绿体超微结构、转录水平和酚类代谢同时差异，支持CRY1a参与光谱适应。BL下WT较高Pn、g_s和E与BL诱导气孔开放通过phototropins、BLUS1和质膜H⁺-ATPase一致，CRY1a有助于维持光期气孔开放；Kreslavski et al.在拟南芥中发现CRY1缺陷在红/蓝光谱下降低光合速率而补充GL可减小或消除差异，这与本研究中GL下基因型差异较小、不显著相容。BL/GL下cry1 Pn相对降低最大，g_s、V_cmax、J_max、TPU和Y(II)降低而Y(NO)升高，J_max/V_cmax比相近（WT 3.24，cry1 2.97），提示CO₂供应与碳利用协调改变。BL下cry1叶绿素和基粒面积增加但Pn和Y(II)降低、Y(NPQ)增加，表明结构/功能适应不匹配；BL/GL下基粒面积较低与Pn和Y(II)低一致；淀粉粒面积、基质面积和质体小球数差异不显著。CO₂限制可促进电子传递链过还原和非光化学淬灭（NPQ），降低碳代谢减少ATP/NADPH消耗，反馈调节叶绿体ATP合酶促进腔酸化与能量依赖热耗散，因此BL/GL下较高NPQ可能是低光合速率伴随的保护反馈。BL下cry1 Y(II)降低伴PSBS、ZEP、VDE降低，而BL/GL下PSBS、VDE升高，说明转录丰度不足以解释光保护响应；BL/GL下SLAC1升高、AHA2降低与g_s降低一致；酚类内容与CHS、FLS、PAL、MYB12转录变化并行，与HY5/COP1模块和隐花色素调控苯丙烷途径和抗氧化防御的报道一致。

研究结论翻译：cry1系在测试光处理下与WT在光合速率、气孔导度、光系统II能量分配、色素积累、叶绿体超微结构和转录本水平方面不同。BL下cry1叶绿素含量和基粒面积增加伴较低光合速率和Y(II)。最大相对光合速率降低出现在BL/GL：cry1光合速率和气孔导度约低35%，V_cmax、J_max和TPU低48–57%。BL/GL下较低Y(II)伴较高Y(NO)，cry1基粒面积较低。淀粉粒面积、基质面积和质体小球数差异小且无统计学显著性。这些结果支持CRY1a对光质适应的贡献。研究人员提出，CRY1依赖响应的光谱调制影响CO₂供应与碳利用平衡，当碳代谢受限时促进光保护反馈。