线粒体交替氧化酶呼吸途径对植物叶片的光破坏防御作用及其调控机制

1、线粒体交替氧化酶呼吸途径对植物叶片的光破坏防御作用及其 调控机制 交替氧化酶（AOX）呼吸途径是植物线粒体内除细胞色素氧化酶 （COX）呼吸途 径之外的电子传递途径 , 它可以直接将电子从质体醌传递到氧气生成水而不伴随 跨膜质子梯度的产生。因此,AOX呼吸途径作为一种非磷酸途径可以快速有效地 消耗还原力，减少呼吸电子传递链的过还原以及活性氧（ROS）的产生，而不受跨膜 质子梯度或胞内ATP/ADP勺限制。 AOX乍为一种耗能呼吸途径,其生理功能已经被广泛研究,它能够维持呼吸 电子传递链和三羧酸循环、清除活性氧以抵御各种生物非生物胁迫。研究指 出,AOX呼吸途径有重要的光破坏防御作用。 目前,被

2、广泛认可的AOX乎吸途径的光破坏防御机制是：逆境下AOX乎吸途径 通过快速氧化由苹果酸苹果酸 -草酰乙酸穿梭途径转运出的叶绿体内的过剩还原 力（NADPH以防止光合电子传递链的过度还原从而缓解光抑制。然而,迄今为止对 AOX呼吸途径的光破坏防御作用的研究都只在 C3植物中进行，而对C4植物却鲜 有研究。 此外,有不少现象都无法用AOX吸途径依赖于苹果酸-草酰乙酸穿梭的光破 坏防御作用来解释,如AOX呼吸的耗氧速率仅是光合放氧速率的百分之二左 右,AOX对还原力如此小的消耗能力为何能起到不可替代的光破坏防御作用？此 外, 逆境下苹果酸 -草酰乙酸穿梭途径对于光破坏防御的作用可以被其他光破坏 途径

3、补偿或替代,为何依赖于苹果酸-草酰乙酸穿梭的AOX呼吸途径却有不可替 代的光破坏防御作用？作为叶绿体外部的一个重要的光破坏防御机制,AOX呼吸 途径在光破坏防御过程中的调控机制却不甚清楚。本文通过对比研究多种C3和 C4植物并且利用AOX乎吸途径缺失的突变体对AOX乎吸途径的光破坏防御作用 进行了研究,同时对光下AOX乎吸途径的上调机制也进行了详细的研究和讨论。 主要结果如下：(1)强光下,SHAM抑制AOX乎吸途径后,导致C3植物(包括黄 瓜(Cucumis sativus)、杂交酸模 Rumex K-1 和柳树(Salix babylonica)以及拟 南芥)叶片的光抑制程度加重,而对C4

4、植物(包括3种NADP-M型的玉米(Zea mays)、高粱(Sorghum bicolor) 和黍子(Euchlaena mexicana);1 种 NAD-M型的 马齿苋(Portulaca oleracea);1 种 PPCK型的鼠尾草(Salvia farinacea) 叶片 的光抑制程度却没有明显的影响。并且，随着照光时间的增加或SHAMS度的增 加,C3植物叶片的光抑制程度加重,而对C4植物，照光时间的增加会加重叶片的 光抑制程度，但SHAM浓度的增加不会加重叶片的光抑制程度。 这说明,AOX呼吸途径在C3植物中起不可替代的光破坏防御作用，而对C4植 物则不起光破坏防御作用。 (2

5、) 随着照光时间的增加 ,c3 植物黄瓜叶片中乎吸速 率显著增加 , 其中细胞色素氧化酶 (cox) 乎吸途径的乎吸速率却没有显著增加 , 而 aox 途径的乎吸速率随着照光时间的增加而显著增加。 与aox呼吸途径的活性相类似,aox的基因表达以及aox的蛋白在照光后都 显著增加。而在 c4 植物玉米叶片中 , 总乎吸速率、 cox 乎吸速率随着照光时间的 增加而增加 ,aox 乎吸速率却没有显著的增加。 玉米叶片中aox相关基因的表达以及aox蛋白在照光处理后也没有显著增加。 强光下,aox呼吸途径只在c3植物中上调，并且起到不可替代的光破坏防御作用， 而在 c4 植物中 ,aox 乎吸途径

6、没有显著变化 , 同时对叶片的光破坏防御也没有贡 献。 在c4植物中,尤其是在nad-me和nadp-me这两种类型的c4植物中,苹果酸- 草酰乙酸穿梭的能力远大于c3植物，但是,aox却在c4植物中不起光破坏防御作 用。这表明，强光下,aox呼吸途径不仅仅通过直接消耗由苹果酸-草酰乙酸穿梭 机制转运出叶绿体的过剩的还原力 nadph 来缓解光合作用光破坏。 aox呼吸途径可能还存在其他的光破坏防御机制。(3)强光下,当用光呼吸抑 制剂将c3植物黄瓜和rumexk-1叶片的光呼吸抑制后,再用sham抑制aox呼吸途 径后, 叶片的光抑制程度不再增加。 在低co2浓度(50ppm)或者低02浓度

7、(2%)以及低o2和低co2共同条件下,c3 植物黄瓜和rumexk-1叶片的光呼吸都受到抑制，此时,aox呼吸途径被sham抑制 后,不再加重 c3 植物黄瓜和 rumexk-1 叶片的光抑制程度。 而对于 c4 植物玉米叶 片,不论是施用光呼吸抑制剂或在不同控气条件下，sham处理的玉米叶片与对照 叶片相比,光抑制程度始终没有显著差异。 这表明,当光呼吸受抑后,aox呼吸途径在c3植物光破坏防御作用也受到抑 制。 照光后co2的爆发(pib)表示了线粒体内甘氨酸脱羧过程中 co2的释放, 通常用来反映光呼吸的大小,sham抑制aox呼吸途径后,c3植物黄瓜叶片的pib 与对照相比显著下降

8、;叶片光合速率的氧敏感性也可以反映光呼吸的大小 ,黄瓜 叶片用sham预处理后,其叶片光合速率的氧敏感性与对照相比也显著下降。 此外,与对照相比,sham处理的叶片中甘氨酸与丝氨酸比值增加，这表明 sham处理导致叶片线粒体内甘氨酸脱羧向丝氨酸转变过程受到抑制。这些结果 都表明 , 在 c3 植物中 ,aox 呼吸途径受抑后 , 叶片的光呼吸也会受到抑制。 而在 c4 植物玉米中 , 由于其光呼吸极低 , 因此,在各种处理下 , 玉米叶片的 pib 、甘氨酸与丝氨酸的比值以及叶片光合速率的氧敏感性与对照相比无显著性 差异, 并且测定值极小。 以上结果表明 ,aox 呼吸途径对维持光呼吸的正常运

9、转有 重要的作用 光呼吸能有效的维持强光下叶绿体内的氧化还原平衡状态 , 并且清除对光合 机构内极具毒害的乙醇酸和乙醛酸 , 此外 , 光呼吸对于光系统 ii 中 d1 蛋白的修复 有重要的作用，因此,强光下,aox呼吸途径的上调能够维持或增加光呼吸循环的 运转, 这对于减轻强光下光合电子传递链受体侧的过还原和乙醇酸的毒害并以此 增加植物的光破坏防御作用有重要的意义。(5)强光下,aox1a(aox呼吸途径缺失 突变体)拟南芥突变体的光抑制程度显著高于野生型 ,而当突变体和野生型拟南 芥叶片的光呼吸被光呼吸抑制剂或低 co2浓度(50ppm)或者低o2浓度(2%)以及低 o2和co2共同条件抑

10、制后,aox1a突变体和野生型在强光下的光抑制程度不再表 现出显著性差异。 此外, 与野生型相比 ,aox1a 突变体的 pib 、光合速率的氧敏感性都显著下降 , 而甘氨酸与丝氨酸的比值显著的增加。通过用aox呼吸途径缺失的突变体再次证 明,强光下,aox呼吸途径上调，并且通过维持光呼吸的正常运转，来缓解叶片的 光抑制。 虽然光可以诱导c3植物黄瓜和烟草叶片aox呼吸途径的上调，但用 3-(3,4-二氯苯基)-1,1-二甲基脲(dcmu)抑制光下植物的光合电子传递链的电子 从qa到qb的传递，导致叶绿体内电子外泄产生大量活性氧后，叶片aox呼吸途径 并未因此上调，这表明叶绿体内产生的活性氧并

11、不会直接上调aox呼吸途径。此 外, 与暗处相比 , 当用 iodoaceticacid(ia) 抑制光合碳同化 , 从而导致还原力 nadph的消耗减少，间接导致叶绿体内nadph积累后，叶片aox呼吸途径并未上调 这表明叶绿体内产生的还原力并不会直接上调aox呼吸途径。 这些结果表明，强光下，叶绿体内活性氧的积累和还原力 nadph的积累都不 会直接影响 aox 呼吸途径的活性。 (7) 照光后黄瓜和烟草叶片线粒体内光呼吸代 谢产物甘氨酸含量显著增加。 与对照相比 ,甘氨酸处理后 , 黄瓜和烟草叶片 aox 呼吸途径显著增加 , 氨基乙 腈 (ann) 预处理抑制了甘氨酸向丝氨酸的转变后 , 甘氨酸处理依旧增加 aox 呼吸 途径。此外 , 在没有功能性叶绿体结构的烟草 by-2 细胞中, 外施甘氨酸可以上调 aox呼吸途径，并且在ann预处理后再施加甘氨酸也可以上调 aox呼吸途径。