《Photosynthesis Research》：State transitions in Physcomitrium patens studied with time-resolved fluorescence
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为解决光合生物如何在动态光环境中优化光能捕获的问题，研究人员在模式生物小立碗藓中，运用体内时间分辨荧光光谱技术探究了其状态转换机制。研究发现，小立碗藓存在两种光合系统I荧光寿命成分，分别对应小天线和大天线结构，并揭示状态转换在极低光强下作用最强，主要通过增加PSI-large的丰度来重新平衡激发能在两个光系统间的分配。这项研究为理解早期陆生植物独特的光合适应策略提供了关键见解。
在自然界中，太阳光并非稳定不变，其强度与光谱组成会随昼夜、季节、云层遮挡以及植物冠层位置而瞬息万变。对于依赖阳光进行光合作用的生物而言，这既是能量之源，也可能成为潜在的破坏力量。为了在变幻莫测的光环境中生存并高效运作，光合生物演化出了一系列精巧的适应机制。其中，状态转换（State Transitions）是一种快速响应光质变化的动态调节过程，它通过调整捕光天线在光系统I（PSI）和光系统II（PSII）之间的分配，来重新平衡两个光系统间的激发能量，从而最大化光能利用效率。这一机制在从藻类到高等植物的不同物种中均有体现，但其具体的工作细节和调节强度却可能存在显著差异。
小立碗藓，作为一种在进化上介于绿藻和维管植物之间的关键过渡物种，为我们研究光合适应机制的演化提供了绝佳的窗口。其独特之处在于，它拥有两种类型的光系统I复合体：一种是结构与维管植物相似的PSI-LHCI复合体（简称PSI-small）；另一种则是在Lhcb9蛋白存在下形成的、包含额外LHCII和LHCI带的巨型PSI复合体（简称PSI-large或PSI- megacomplex）。此前，对维管植物拟南芥和绿藻莱茵衣藻的状态转换已有较为深入的研究，但针对小立碗藓这一重要模型，体内能量传递的动力学细节以及状态转换如何影响其不同类型光系统I的活性，仍是未解之谜。为了填补这一空白，并深入理解早期陆生植物如何调控其光能收集装置，一项发表在《Photosynthesis Research》上的研究，首次将体内时间分辨荧光光谱技术应用于小立碗藓，系统性地探究了其状态转换的动力学特征与分子机制，揭示了其在极低光强下的独特响应模式。
研究者们主要运用了以下几项关键技术：体内时间分辨荧光光谱，利用条纹相机系统记录小立碗藓原丝体在488 nm脉冲激光激发下的荧光衰减过程，通过全局分析获得与不同光合组分相关的衰减关联光谱，从而解析PSI和PSII的荧光寿命与贡献；脉冲振幅调制荧光测定，用于量化在不同光强下诱导的状态转换程度（qT参数）和非光化学淬灭水平；蓝绿非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，用于分离和鉴定在特定光处理下形成的状态2（PSI-LHCI-LHCII）超级复合体；以及蔗糖密度梯度离心，用于分离和获取PSI-small富集组分，以验证其体外荧光寿命。
一、体内PSI荧光寿命解析与天线尺寸关联
通过分析暗适应小立碗藓的体内时间分辨荧光数据，研究人员成功分离出三个主要的荧光寿命成分。最长寿命成分（1600-1900 ps）被归因于反应中心关闭的PSII。另外两个短寿命成分，分别为35-45 ps和165-190 ps，均被证实具有PSI起源。通过比较分离纯化的PSI-small复合体的光谱（约41 ps），以及利用DCMU化学关闭所有PSII反应中心后的体内光谱，研究者确认35-45 ps的成分对应于具有小型、植物样天线的PSI-small。而当研究者在培养基中添加葡萄糖并降低生长光强以促进Lhcb9表达和PSI- megacomplex形成时，长寿命PSI成分（~175 ps）的相对贡献显著增加。这表明165-190 ps的寿命成分与具有更大天线尺寸的PSI-large相关。因此，研究得出结论，小立碗藓体内存在两种PSI相关荧光寿命：短寿命成分与PSI-small相关，而长寿命成分则来自PSI-large。
二、状态转换的光强依赖性及其对光系统的影响
为探究小立碗藓状态转换的特性，研究测量了在不同光强下诱导状态转换的qT值。结果显示，状态转换在极低的3 μmol m-2s-1光强下作用最强，qT值可达9%，而在更高光强下，由于强非光化学淬灭的干扰，qT的测量变得不可靠。蓝绿非变性凝胶电泳结果进一步证实，在3 μmol m-2s-1蓝光处理下，野生型中出现了与状态2相关的PSI-LHCI-LHCII复合体条带，而在缺乏状态转换关键激酶的stn7突变体中该条带缺失，这验证了该光强可有效诱导状态转换。
三、状态转换过程中能量再分配的直接观测
研究者进一步在体内时间分辨荧光光谱实验中，对同一批样品依次进行暗适应、3 μmol m-2s-1蓝光（诱导状态2）和远红光（诱导状态1）处理，并测量其荧光光谱。分析发现，在从状态1转换到状态2时，野生型中PSII的贡献减少，而PSI-large的贡献显著增加，PSI-small的贡献则基本不变。对PSI贡献总量的量化分析显示，蓝光处理的野生型样品具有最大的总PSI贡献，且其PSI-large的贡献量显著高于其他所有处理组和基因型。而在stn7突变体中，不同光处理下的PSI贡献（包括PSI-large）没有显著变化。这些结果表明，小立碗藓的状态1向状态2转换，主要增加了PSI-large的丰度，从而将激发能量从PSII重新分配到PSI，实现了激发压的再平衡。
讨论与结论
本研究首次报道了小立碗藓体内时间分辨荧光光谱，并揭示了其两个PSI荧光寿命成分的独特性质。PSI-small的短寿命反映了其与维管植物PSI在“红形式”色素含量和能量传递路径上的差异。而PSI-large的长达165-190 ps的荧光寿命，远超其他模型物种，这与其超大天线尺寸以及可能存在的能量传递效率限制相符。
最关键的是，研究揭示了小立碗藓状态转换机制的独特性。与维管植物中状态转换主要调节PSII天线尺寸不同，小立碗藓的状态转换在极低光强下达到最大效应，并且主要影响PSII和PSI-large，而非PSI-small。这意味着，在进化早期，植物可能利用一种特殊的、涉及大型PSI超级复合体的机制来精细调节光能分配。尽管PSI-large本身被激发效率较低，但状态转换通过增加其丰度，有效地改变了激发能流，使激发能分布达到了与维管植物相似的水平，只是作用的临界光强不同。
这项研究的意义在于，它将先进的光谱技术与经典的光合生理、生化手段相结合，不仅为理解小立碗藓这一关键进化节点物种的光合适应策略提供了详实的动力学数据，也增进了我们对状态转换这一保守机制在不同植物类群中多样性的认识。研究结果强调了PSI-large在早期陆生植物适应动态光环境中的潜在重要作用，为后续从结构和功能上深入解析PSI- megacomplex的工作机制，以及探究状态转换在植物进化过程中的演变提供了重要基础和新方向。
