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MDPI Plants 拟南芥中参与光保护qH的基因筛选 |
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论文标题：A Genetic Screen to Identify New Molecular Players Involved in Photoprotection qH in Arabidopsis thaliana（拟南芥中参与光保护qH的基因筛选）
期刊：Plants
作者：Pierrick BruOrcID, Sanchali Nanda and Alizée Malnoë
发表时间：1 October 2020
DOI：10.3390/plants9111565
微信链接：https://mp.weixin.qq.com/s?biz=MzI1MzEzNjgxMQ==&mid=2649984880&idx=
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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/plants
光合作用是一种将光能转化为化学能的生物过程，它能为植物生长提供能量。然而，光合作用也是植物中具有破坏性的活性氧 (ROS) 的来源。因此，植物进化出了光保护机制，如非光化学猝灭 (NPQ)，来限制其光合作用过程，以避免ROS对细胞的损害。光保护的研究对于我们了解其分子机制，为植物改良寻找新的途径具有重要意义。经甲基磺酸乙酯 (EMS) 诱变后拟南芥的全基因组测序结果分析，研究人员确定了可能参与光保护qH的新基因。
来自瑞典优密欧大学的Pierrick Bru等人在Plants期刊上发表了文章，发现了参与拟南芥NPQ的qI型猝灭 (qH) 的候选基因。
soq1 npq4 gl1 上150个突变体的筛选
作者对M2选育的突变体进行种子繁殖和NPQ表型验证，并从中选择了150个突变体。与亲本soq1 npq4 gl1相比，这些突变体表现出不同的NPQ表型，如NPQ高或低、Fv/Fm和/或色素沉着不同。接着，作者将表型恢复到npq4突变体的原始NPQ表型，或表现出结构性低FM且没有明显色素缺陷的突变体，与亲本soq1 npq4 gl1回交。通过这种测序作图的方法，作者鉴定出突变体lcnp、chlorina1 (cao 突变体) 和roqh1[1,2]。最后，作者根据NPQ表型对所选突变体进行了分类。
图 1. 鉴定参与qI型猝灭过程的新基因
“低NPQ”、“高NPQ”和“快松弛”三类突变体
作者对96个突变体进行测序，选取M3突变体进行培养，并通过叶绿素荧光成像对Fo、Fm、Fv/Fm和NPQ进行重新表型鉴定，以确认M2代的表型。上述操作可将“低NPQ”、“高NPQ”和“快松弛”三类突变体和其他突变体区分开来。一类显示较低的NPQ水平，另一类显示较高的NPQ水平，第三类的NPQ表型类似于soq1 npq4，但放松更快。蓝色的“较低NPQ”大约占突变体总数的56%，橙色的“较高NPQ”类别约占32%，绿色的“较快松弛”类别约占突变总数的11%。
图 2. 三种突变体的分布
正常绿色、低NPQ和低Fv/Fm
与soq1 npq4相比，池6和池14的36号、39号突变体在强光10分钟后的NPQ诱导降低了约33%。光合参数Fv/Fm，Fo为0.49和0.47，257±13和264±8，而soq1 npq4的Fv/Fm和Fo分别为0.79和108±6。与soq1 npq4相比，视觉叶片色素沉着为正常绿色到略淡绿色。与soq1 npq4的3.0相比，36号和39号突变体的Chl a/b略低为2.7，但总体上Chl含量与对照相似。36号和39号突变体表现出相似的Fv/Fm、Fo和NPQ，但它们来自不同的池，可能是NPQ表型的等位基因。
图 3. 正常绿色，低NPQ和高F0引起低Fv/Fm的拟南芥等位基因突变体
浅绿色、低NPQ和低Fv/Fm突变类
作者用上述相同的处理方法，发现池6和池14的37号和245号突变体的NPQ诱导率降低了约50%，出现了明显的色素缺陷。突变体的Chl a/b比值异常，分别为7.2和6.9，而soq1 npq4为3.1。此外，与soq1 npq4相比，37号和245号的叶绿素含量分别下降了70%和67%，接近于淡绿色par优良突变体clina1-1 (与野生型相比) 的75%的叶绿素含量下降[3]。与soq1 npq4相比，光合参数Fo值和Fm值也受到较低的Fm和较高的Fo值的影响。这种较低的Fm值和较高的Fo值导致较低的Fv/Fm值，分别为0.55和0.59，而soq1 npq4的Fv/Fm值为0.79。来自不同池的37号和245号突变体的NPQ、Fo、Fm和Fv/Fm表型相似，可能是NPQ表型的等位基因。Chl表型也非常相似，可能与NPQ表型相关。
图 4. 淡绿色，低NPQ和低Fv/Fm的拟南芥等位基因突变体
浅绿色、高NPQ和正常Fv/Fm突变类
作者还发现，在相同的实验步骤中，12池和9池的73号和251号突变体NPQ诱导增强了约40%，也出现了明显的色素缺陷。突变体251号完全发育的叶片Chl a/b比值与野生型相同为3.1，但Chl含量下降了45%。第251号幼叶表现出更强烈的淡绿色表型，随着叶龄的增加，这种表型趋于消失。突变体73的Chl a/b比略低，为2.8，Chl含量降低了60%。与soq1 npq4相比，突变体光合作用参数Fo和Fm较低，但导致野生型的Fv/Fm值为0.8。来自不同池的73号和251号突变体的NPQ、Fo、Fm、Fv/Fm表型相似。突变体之间Chl表型的轻微差异可能是由于等位基因较弱和较强所致。
图 5. 淡绿色，高NPQ和正常Fv/Fm的拟南芥等位基因突变体
Pierrick Bru教授等人发现的三类突变体，与对照相比，都表现出部分或全部光合参数(Fo、Fm、Fv/Fm和NPQ)和色素含量的差异。这三组突变是潜在的等位基因的突变，确定它们的特征能有效的帮助我们识别致病突变。未来还应进一步探索可能发生突变并且可以观察到表型的基因。
参考文献
1. Baker, N.R. Photoinhibition of Photosynthesis. In Light as an Energy Source and Information Carrier in Plant Physiology; NATO ASI Series; Jennings, R.C., Zucchelli, G., Ghetti, F., Colombetti, G., Eds.; Springer: Boston, MA, USA, 1996; pp. 89–97. ISBN 978-1-4613-0409-8.
2. Amstutz, C.L.; Fristedt, R.; Schultink, A.; Merchant, S.S.; Niyogi, K.K.; Malnoë, A. An atypical short-chain dehydrogenase–reductase functions in the relaxation of photoprotective qH in Arabidopsis. Nat. Plants 2020, 6, 154–166.
3. Yamasato, A.; Nagata, N.; Tanaka, R.; Tanaka, A. The N-terminal domain of chlorophyllide a oxygenase confers protein instability in response to chlorophyll b accumulation in Arabidopsis. Plant Cell 2005, 17, 1585–1597.
Plants (ISSN 2223-7747, IF 2.762) 是国际开放获取学术期刊，期刊发文范围涵盖植物科学相关的各个方面，重点刊载植物生理学、形态学、系统学和生态学等基础学科的研究文章和综述等，该期刊同样欢迎应用植物科学领域所有类型的文章。Plants目前已被SCIE、Scopus、PubMed等重要数据库收录。期刊采用单盲同行评审制，一审周期平均约为12.3天，文章从接收到发表上线平均仅需2.9天。
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