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eLife:没有β-胡萝卜素,植物照样能光合作用

已有 3067 次阅读 2020-11-6 08:45 |个人分类:每日摘要|系统分类:论文交流

Photosynthesis without β-carotene

第一作者Xiaomin Yu

第一单位阿姆斯特丹自由大学

通讯作者Roberta Croce


 Abstract 


背景回顾Carotenoids are essential in oxygenic photosynthesis: they stabilize the pigment–protein complexes, are active in harvesting sunlight and in photoprotection.


现有共识:In plants, they are present as carotenes and their oxygenated derivatives, xanthophylls. While mutant plants lacking xanthophylls are capable of photoautotrophic growth, no plants without carotenes in their photosystems have been reported so far, which has led to the common opinion that carotenes are essential for photosynthesis.


主要发现:Here, we report the first plant that grows photoautotrophically in the absence of carotenes: a tobacco plant containing only the xanthophyll astaxanthin.


结果1:Surprisingly, both photosystems are fully functional despite their carotenoid-binding sites being occupied by astaxanthin instead of β-carotene or remaining empty (i.e. are not occupied by carotenoids).


结果2:These plants display non-photochemical quenching, despite the absence of both zeaxanthin and lutein and show that tobacco can regulate the ratio between the two photosystems in a very large dynamic range to optimize electron transport.


 摘  要 


类胡萝卜素在有氧光合作用中至关重要,其可以稳定色素与蛋白的复合物,并且在捕获太阳光和光保护过程中均发挥重要作用。在植物中,类胡萝卜素的主要存在形式是胡萝卜素以及各种含氧衍生物叶黄素类。植物中,缺失了叶黄素的突变体仍能够进行光自养生长,但是还没有植物光系统中缺失胡萝卜素的相关报道,因此大家形成一个共识,认为胡萝卜素对于光合作用是必需的。本文中,作者首次报道了缺失胡萝卜素仍能够光自养的植物,一株只含有叶黄素类物质虾青素的烟草。令人惊讶的是,原先光系统中β-胡萝卜素所占的位置在烟草突变体中被虾青素占据之后亦或是空位情况下,两种光系统仍然是功能性的。这些突变体的烟草植株,尽管缺少了玉米黄质和叶黄素,但是表现出了非光化学猝灭,说明烟草可以在一个非常大的动态范围之内调控两种光系统的比例,从而达到最佳的电子传递状态。


 eLife Digest 


地球上大多数的生命都依赖于光合作用,由植物和许多其他生物所进行的光合作用能够储存来自太阳的能量,并释放氧气。光合作用的第一步是捕获光能,并将其转化为化学能,该过程主要发生在光系统中,而光系统则是由包含许多色素分子的蛋白组装体构成。在植物中,参与光合作用的色素是叶绿素和类胡萝卜素。除了捕获光能,类胡萝卜素还能够防止过剩的光能对光系统的损害。


在所有有机生命体中,有超过1000多种的类胡萝卜素,但是只有β-胡萝卜素存在与每一个生物中,参与光合作用,释放氧气,被认为是光系统的必要组成之一。但是,很难去证实这些推测,因为通过经典遗传学的手段,几乎不可能在不影响其他类胡萝卜素的情况下,将β-胡萝卜素从一个细胞中移除。


Xu et al.利用遗传工程创制了一个特殊的烟草植株,其中可以在β-胡萝卜素的位置用虾青素来替代。虾青素是一种来自三文鱼和虾的类胡萝卜素,在植物中并不常见。这些特殊的烟草是历史上第一批不通过β-胡萝卜素进行光合作用的植物,说明了只要通过其他的色素分子来替代β-胡萝卜素,其并不是光合作用所必需的色素分子。Xu et al.还发现,利用不同的类胡萝卜素来替换β-胡萝卜素均可以形成一个具有功能的光系统,甚至是在降低这些类胡萝卜素含量的情况下都可以。


Xu et al.的发现说明了植物的光合作用具有很大的弹性,可以将外源的分子整合进该进程中。另外,这些结果表明可以通过人为设计来重构植物的光合系统,从而提升光合效率,增加作物产量。


 通讯作者 


**Roberta Croce**


个人简介:

1993年,意大利帕多瓦大学,学士;

1998年,意大利米兰大学,博士;

1998-2000年,德国马克斯·普朗克研究所,博后;

2001-2006年,意大利生物物理学研究所,研究员;

2006-2008年,荷兰格罗宁根大学,助理教授;

2008-2011年,荷兰格罗宁根大学,副教授;

2011年-至今,荷兰阿姆斯特丹自由大学,教授。


研究方向:研究光合作用过程中光反应的分子基础,以此建立光能转换的基本原则,用以增强光合效率、指引人造设计。


doi: 10.7554/eLife.58984


Journal: eLife

Published date: Nov 03, 2020



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