一氧化氮通过改善光系统协同性与电子传递缓解番茄幼苗弱光诱导的光合损伤

《Plants》：Nitric Oxide Alleviates Low-Light-Induced Photosynthetic Impairment by Improving Photosystem Coordination and Electron Transport in Tomato Seedlings

　　

弱光是限制作物生产力的重要环境因素，其通过限制光合碳同化并扰乱光合功能而降低作物产量。一氧化氮（Nitric Oxide，NO）是参与植物逆境响应的重要信号分子，然而其在弱光条件下调控光系统稳定性的作用仍不明确。本研究以番茄幼苗为材料，利用NO供体硝普钠（Sodium Nitroprusside，SNP）和NO清除剂2-苯基-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧-3-氧化物（2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide，PTIO）进行处理，以研究NO相关处理对弱光条件下植株生长、光合性能、光系统功能、电子传递、活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）积累及抗氧化防御的影响。弱光显著抑制了植株生长，并损害了光系统II（Photosystem II，PSII）和光系统I（Photosystem I，PSI）的光化学活性，表现为PSII最大量子效率（F_v/F_m）、P700最大氧化能力（P_m）及电子传递速率降低，同时伴随ROS积累增加。外源NO施用显著改善了弱光条件下的光系统性能：NO增强了PSII和PSI的光化学性能，改善了激发能分配，恢复了光合电子传递，同时增强了抗氧化酶活性，从而降低了激发压和氧化损伤。相反，PTIO处理加剧了弱光下的光系统损伤。这些结果表明，NO有助于维持弱光条件下光系统功能和光合电子传递，突出了其在提高番茄弱光耐受性方面的潜在作用。

弱光胁迫是设施栽培、高纬度及多云地区常见的限制性环境因子，其通过抑制光合碳同化、扰乱光系统间的能量平衡而显著降低作物产量。番茄（Solanum lycopersicum L.）作为典型的喜光园艺作物，在弱光下常出现叶绿素降解、光系统II（PSII）和光系统I（PSI）光化学活性下降、活性氧（ROS）积累及生物量减少等现象。已有研究表明一氧化氮（NO）参与调控多种非生物胁迫下的光合作用和抗氧化代谢，但在弱光条件下NO能否通过维持PSI与PSII的功能协调和电子传递来缓解光合损伤，仍是尚未明确的关键问题。为此，研究人员以番茄品种“中蔬四号”为材料，设置对照（450±30 μmol·m^?2·s^?1）、低光（LL，80±10 μmol·m^?2·s^?1）、低光+SNP（LS）、低光+PTIO（LP）和低光+PTIO+SNP（LPS）五个处理，通过生长参数、叶绿素含量、气体交换、叶绿素荧光成像、P700氧化还原动力学、激发能分配、环式电子流（CEF）及抗氧化酶活性等多层次分析，揭示了NO在弱光下保护光合机构的作用机制。研究发现，外源NO通过改善PSII和PSI的光化学效率、协调两光系统间的激发能分配、恢复线性电子传递并增强抗氧化酶活性，显著缓解了弱光诱导的光合损伤和氧化胁迫；NO清除剂PTIO则加剧了上述损伤，而PTIO处理后补充SNP可部分恢复光系统功能。该研究从光系统协同与电子传递的角度阐明了NO提高番茄弱光耐受性的生理机制，为设施弱光逆境调控提供了重要理论基础。论文发表在《Plants》。

在关键技术方法方面，研究人员采用番茄品种“中蔬四号”（来源于凯里大学温室培育），在四叶期移入可控生长室进行弱光处理，通过叶面喷施途径施加NO供体SNP（100 μmol·L^?1）和NO清除剂PTIO（50 μmol·L^?1），以蒸馏水喷施为对照。主要检测方法包括：利用LI-6400便携式光合仪测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和胞间CO₂浓度（Ci）；运用Imaging-PAM叶绿素荧光成像系统与Dual-PAM-100同步测定PSII荧光参数和P700氧化还原动力学参数；通过分光光度法测定叶绿素含量、ROS水平及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性，并结合统计分析评价处理间差异。

研究结果分述如下：

**2.1 低光与NO对番茄幼苗生长参数的影响**。与对照相比，低光处理使番茄株高显著增加25.7%，但茎粗、地上部与根部鲜重和干重分别显著降低35.2%～42.7%；SNP施用显著缓解了低光对生长的抑制，而PTIO处理进一步加剧生长抑制，LPS处理则在PTIO基础上部分恢复了植株生长，说明NO能够改善弱光下的生长表现。

**2.2 低光与NO对番茄幼苗叶绿素含量的影响**。低光显著降低叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和总叶绿素含量，同时提高Chl a/b比值；LS处理使Chl a、Chl b和Chl a+b分别较LL提高14.7%、29.5%和19.6%，Chl a/b比值下降11.4%；LP处理则使叶绿素含量进一步降低、Chl a/b比值升高，LPS处理可逆转PTIO引起的色素损失，表明NO有助于维持弱光下的叶绿素稳定性。

**2.3 低光与NO对番茄幼苗光合参数的影响**。低光显著降低Pn、Gs和Ci并升高气孔限制值（Ls）；SNP处理使Pn和Gs各提高16.1%，同时使Ci和Ls分别下降14.5%和23.4%。由于Pn回升的同时Ci下降，说明NO改善光合作用并非单纯依赖气孔因素，而是涉及非气孔限制的缓解。PTIO则使Pn和Gs进一步降低、Ci和Ls升高，LPS处理显著恢复上述指标。

**2.4 低光与NO对番茄幼苗PSI和PSII光化学性能的影响**。低光显著降低F_v/F_m、P_m、Y(II)、Y(I)和Y(ND)，同时升高Y(NPQ)、Y(NO)和Y(NA)；SNP处理显著提高PSII和PSI的光化学效率并降低激发能耗散，PTIO处理则使PSII和PSI活性进一步下降，LPS处理可显著逆转PTIO引起的损害，说明NO能够维持光系统反应中心的开放程度和电子传递活性。

**2.5 低光与NO对吸收光能在PSI和PSII之间分配的影响**。低光导致PSI吸收光能份额α和光化学利用份额P显著降低，而PSII份额β、失衡系数β/α?1、过剩激发能Ex和热耗散D均升高；SNP处理使α和P回升，β、β/α?1和D下降，说明NO有助于恢复两光系统间的激发能平衡；PTIO则加剧失衡，LPS处理可部分纠正这种失衡。

**2.6 低光与NO对电子传递和环式电子流的影响**。低光使Y(CEF)和Y(CEF)/Y(II)分别升高79.6%和164.4%，而ETR(I)和ETR(II)显著降低；SNP处理降低了CEF的相对贡献并显著提高PSI和PSII的线性电子传递速率，PTIO则产生相反效应，LPS处理可恢复ETR(I)和ETR(II)。这表明低光下CEF相对比例的升高主要反映线性电子流受损后的电子分配调整，而非NO直接促进CEF。

**2.7 低光与NO对ROS积累和抗氧化酶活性的影响**。低光显著增加O₂^·?、H₂O₂和丙二醛（MDA）含量，并降低SOD、POD和CAT活性；SNP处理显著降低ROS和MDA水平并增强抗氧化酶活性，PTIO则进一步加剧氧化损伤，LPS处理可缓解PTIO造成的氧化胁迫，说明NO通过增强抗氧化防御来维持弱光下的氧化还原稳态。

在讨论部分，研究人员指出，低光下番茄生长受抑与光合碳同化受阻密切相关，而NO的改善作用主要体现在非气孔因素上，即通过维持PSII和PSI的光化学活性、重新平衡激发能在两光系统间的分配、恢复线性电子流并加强抗氧化酶系统，从而降低激发压和氧化损伤。NO清除剂PTIO的负效应进一步支持了NO在弱光适应中的内源保护功能。此外，低光下Y(CEF)和Y(CEF)/Y(II)的升高在PTIO处理时更为明显，但这种变化被认为更可能是线性电子流受损后电子分配途径的被动调整，而非NO直接增强CEF的贡献。

研究结论为：长期弱光损害了番茄幼苗的光合性能和PSI–PSII功能，导致电子传递速率下降、氧化胁迫加剧和生长受抑。外源NO通过改善激发能利用、维持PSI–PSII协调性、恢复线性电子传递并增强抗氧化防御来缓解上述不利影响。弱光下CEF相对比例的升高（尤其在PTIO处理后）反映的是与线性电子传递受损相关的电子分配调整，而非NO对CEF的直接增强。总体而言，NO有助于在长期弱光条件下维持光合功能和氧化还原稳态，具有提高番茄弱光耐受性的应用潜力。