2025年2月27日，Communications Biology在線發(fā)表日本東京大學(xué)農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)研究生院Wataru Yamori課題組標題為Identification and characterization of compounds that improve plant photosynthesis and growth under light stress conditions的研究論文。文章通過葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)構(gòu)建了基于煙草葉圓片的高通量化學(xué)篩選系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并驗證了蒽醌衍生物(如A1N和A4N)能夠通過增強光系統(tǒng)I(PSI)的電子接受能力緩解植物高光脅迫，顯著提升光合效率和作物生長，且對非脅迫條件下的植物無負面影響，為農(nóng)業(yè)抗逆化學(xué)品的開發(fā)提供了新策略。

現(xiàn)有抗逆策略或多或少的都存在局限性。例如基因改造，通過引入玉米GOLDEN2-LIKE基因或苔蘚的Flavodiiron蛋白可增強光脅迫抗性，但公眾對轉(zhuǎn)基因作物的安全性擔(dān)憂限制了其應(yīng)用。化學(xué)生物學(xué)方法也可以提高作物抗性，已有研究通過小分子化合物調(diào)控植物氣孔開閉或代謝通路(如乙酸誘導(dǎo)抗旱性)，但針對光脅迫的化學(xué)保護劑研究幾乎空白。亟需開發(fā)一種非轉(zhuǎn)基因的化學(xué)保護劑，通過改善光合電子傳遞效率緩解高光脅迫，同時不影響正常生長條件下的植物表現(xiàn)。

第二步是基于光合參數(shù)進行實驗驗證。在篩選系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行葉圓片實驗，通過700 μmolm?2·s?1強光處理12小時誘導(dǎo)光脅迫，A1N和A4N處理組的光合誘導(dǎo)速率(Y(II))顯著高于對照組(圖2)。然后進行濃度依賴性評估，低濃度(0.08–2 μg·mL?1)下，蒽醌衍生物顯著提升光合效率；高濃度(4 μg·mL?1)可能抑制PSII功能。

除了葉圓片實驗，本研究也進行了蒽醌衍生物對完整葉片的實驗驗證，使用四種植物(煙草、生菜、番茄和擬南芥)進行，A1N處理組在72小時光脅迫后，PSII和PSI的電子傳遞速率(ETR II/ETR I)及CO?同化率顯著高于對照組(圖5)。PSI氧化能力測量實驗證實A1N和A4N可作為PSI的電子受體，通過氧化PSI受體側(cè)(如A0/A1)減少過度還原。

第三步是蒽醌衍生物光脅迫抗性化學(xué)保護劑的分子機制與基因表達分析。電子傳遞鏈定位，蒽醌衍生物在PSI的電子接受能力為MV(甲基紫精)的78-86%，但在PSII中無活性(圖4C)。其還原電位(A1N: -816 mV vs. SHE)低于PSI的P700(-1320 mV)，但高于PSII的P680(-620 mV)，表明其特異性作用于PSI。RNA測序相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，A1N處理組擬南芥在光脅迫下光合相關(guān)基因(如光捕獲復(fù)合體、電子傳遞鏈基因)的表達下調(diào)較少，表明其通過保護光合機構(gòu)減少基因調(diào)控壓力。

最后，本研究對蒽醌衍生物作為光脅迫抗性化學(xué)保護劑的長期效應(yīng)與安全性進行了評估。通過恢復(fù)實驗研究發(fā)現(xiàn)，光脅迫處理96小時后，A1N處理組的擬南芥、生菜和番茄在恢復(fù)期(1周)表現(xiàn)出更高的葉綠素含量(SPAD值)和生物量，且未出現(xiàn)早期開花等脅迫癥狀(圖6-8)。安全性方面，非脅迫條件下，A1N處理組的光合參數(shù)和生長指標與對照組無差異。表面施用的蒽醌衍生物在7天內(nèi)完全降解，無環(huán)境殘留風(fēng)險。

其次，本研究首次揭示蒽醌衍生物通過調(diào)節(jié)PSI氧化還原狀態(tài)緩解光脅迫的分子機制，填補了化學(xué)生物學(xué)在光脅迫領(lǐng)域的研究空白。建立的高通量葉圓片篩選系統(tǒng)和技術(shù)路線為未來植物抗逆化學(xué)品劑的開發(fā)提供了高效平臺。

最后，也是最重要的一點是蒽醌衍生物的環(huán)境與安全性優(yōu)勢，它們天然存在于地衣、植物中，具有低毒性和快速降解特性，符合可持續(xù)農(nóng)業(yè)需求。避免了基因改造作物的監(jiān)管和公眾接受度問題。

此外，實驗樣品PSII和PSI期間電子傳輸速率的測定還用到了雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDUAL-PAM-100和GFS-3000光合儀及聯(lián)用葉室。系統(tǒng)全面的評估了蒽醌衍生物對煙草、番茄、生菜和擬南芥幼苗的短期和長期的影響。

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仲春時節(jié)花如錦，燕子歸來柳色新。