专栏名称: 植物生物技术Pbj

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eLife| 首次报道β-胡萝卜素不是光合作用所必需的色素分子，揭示光合作物的高度灵活性

植物生物技术Pbj · 公众号 · · 2020-11-08 19:24

正文

近日， elife 在线发表了 荷兰阿姆斯特丹自由大学 Roberta Croce 教授团队的题为 Photosynthesis without β-carotene 的研究文章。首次报道了 β- 胡萝卜素不是光合作用所必需的 色素分子 。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。该发现显示了植物光合作用的高度灵活性，表明对光合作用机制进行彻底的重新设计是可行的。

地球上的大多数生命依赖于光合作用，光合作用是植物和许多其他有机体利用光合作用从阳光中储存能量并产生氧气的过程。光合作用的第一步，即捕获太阳光并将其转化为化学能，发生在含有许多称为光系统的色素分子的蛋白质的大型集合中。在植物中，参与光合作用的色素是绿色的叶绿素和类胡萝卜素。除了吸收光线外，类胡萝卜素在防止过度暴露在阳光下造成的损害方面也起着重要作用。生物中有一千多种不同的类胡萝卜素，但只有一种，β-胡萝卜素，存在于每一种进行光合作用(释放氧气)的有机体中，被认为是光合作用过程中必不可少的。然而，这一点一直无法得到证实，因为不可能在不影响所有其他类胡萝卜素的情况下，用典型的遗传方法将β-胡萝卜素从细胞中移除。

本研究，作者利用基因工程创造了烟草植株，产生一种名为虾青素的色素来代替β-胡萝卜素。虾青素是一种从鲑鱼和虾中提取的类胡萝卜素，通常在植物中不存在。这些植物是已知的第一批没有β-胡萝卜素进行光合作用的植物，并证明只要存在其他类胡萝卜素，这种色素就不是光合作用所必需的。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。这也表明，光系统可以适应不同的类胡萝卜素的使用，甚至可以在减少类胡萝卜素的情况下运行。