动态光环境下盐胁迫对番茄非光化学淬灭(NPQ)弛豫特性的影响机制
批准号:
32102465
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张玉琪
依托单位:
学科分类:
设施园艺学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张玉琪
中文摘要
设施蔬菜栽培通常因过度施肥导致土壤盐渍化问题突出,同时,自然光下植物长期经受光强动态变化,二者共同影响设施作物生产。在动态光下,以非光化学淬灭(NPQ)为核心的光保护机制是光合作用的必要保障,但由于强-弱光转化下NPQ下调(弛豫)速率远滞后于光强变化速率,大大降低光能利用率。前期研究发现盐胁迫加速了番茄叶片NPQ弛豫速率,说明盐胁迫下植物可能通过加速NPQ弛豫尽可能减少光能利用率的损失,但具体调控机制尚不清楚。本项目拟以番茄野生植株与NPQ弛豫关键蛋白(ZEP与KEA3)过表达和基因突变植株为对象,首先量化不同光强变化下NPQ弛豫对盐胁迫的响应;再次,研究盐胁迫下跨类囊体膜质子推动力及叶黄素循环对NPQ弛豫的影响;最后,研究ZEP与KEA3表达水平在盐胁迫调控NPQ弛豫中的作用从而明确其调控机制。本研究有助于准确反映设施条件下盐胁迫作物的光合生理过程,为培育高光效作物品种提供新的理论基础。
英文摘要
Soil salinity usually occurs in protected horticulture due to overfertilization. Meanwhile, plants usually experience variations in light intensity under natural light. Soil salinity, together with dynamic light, affects crop production in protected horticulture. Under dynamic light, photoprotection is necessary for the normal operation in photosynthesis, where non-photochemical quenching (NPQ) is a key process. However, NPQ relaxation rate from high to low light transition is rather slower than the light decrease rate, which largely decreases light use efficiency. The applicant found salt stress could enhance NPQ relaxation rate in tomato leaves, suggesting salt-stressed plant might perform a faster NPQ relaxation to mitigate the loss in light use efficiency, but the mechanism is rather unclear. Therefore, in this project, we will use tomato wildtype, transgetic over-expression lines and mutants of key proteins on regulating NPQ dynamics (ZEP and KEA3) as the subjects: firstly, we will analyze NPQ relaxation under a diverse of dynamic light regimes in salt-stressed and non-stressed plants; Secondly, we will investigate how transmembrane proton gradient and xanthophyll cycle affect NPQ relaxation under salt stress. Thirdly, we will investigate the role of ZEP and KEA3 expression levels in salt-regulated NPQ relaxation to verify the mechanism. This project would be important to accurately estimate photosynthetic processes of salt-stressed crops in protected horticulture and to provide a new theoretical basis for optimizing crop varieties with higher light use efficiency.
盐胁迫是农业生产中植物经常遭受的非生物胁迫之一。同时,由于太阳高度角持续变化、冠层遮荫及云层移动等因素影响,光的动态变化无处不在。盐胁迫通常伴随着光强的动态变化,二者共同影响作物的光能利用与生长过程,但盐胁迫对动态光下植物光合及非光化学淬灭(NPQ)的具体调控机制尚不清楚。本项目以番茄为对象,研究了动态光下光合碳同化及NPQ过程对盐胁迫的响应机制,探明了动态光合特性在番茄冠层中的空间差异,并获得以下重要结果:.1.盐胁迫对动态光下NPQ的影响途径:发现大气CO2水平下,盐胁迫提高了光合诱导期间的NPQ值,而对强-弱光转化下的NPQ影响较小;在饱和CO2水平下,盐胁迫对NPQ没有显著影响。结果表明盐胁迫对NPQ诱导及弛豫的影响主要由于气孔导度下降引发的光合效率下降,进而限制同化力ATP的合成速率,从而加强类囊体膜酸化程度,间接诱导NPQ上调。.2.盐胁迫对动态光下光合速率与NPQ振荡现象的调控机制:发现在高浓度CO2条件下,且光强骤升时,番茄叶片光合速率出现强烈的光合振荡现象。盐胁迫能够大大缩短光合振荡的稳定时间,并提高了产生光合振荡现象的CO2浓度阈值,这与盐胁迫降低叶片羧化部位CO2浓度以及提高了光合产物磷酸丙糖利用速率有关。.3.温室番茄叶片动态光合特性的冠层空间差异:发现番茄冠层顶部叶片与下部叶片相比,具有更高的光合能力、更快的NPQ诱导与弛豫能力以及更快的光合诱导速率。此外,模型分析显示,在波动光下的平均光合速率可以通过一组Rubisco激活/失活参数准确预测,并适用于全部冠层叶片,从而大大简化了未来作物冠层光合作用的建模工作。.本研究明确了盐胁迫对动态光下番茄NPQ诱导与弛豫过程的作用及其调控机制,揭示了在高CO2浓度下盐胁迫通过磷酸丙糖利用途径和气孔途径对番茄动态光合作用的调控机制,同时阐明了番茄冠层光环境对其动态光合特性的影响规律,为深入了解盐胁迫调控动态光下植物光合作用的生理本质,以及提高设施作物抗逆性及其动态光能利用率提供理论依据。
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