植物光系統 II（PSII）應答非生物脅迫機理研究進展

程爽 ULAANDUU Namuun 李卓琳 胡海玲 鄧曉霞 李月明王競紅 藺吉祥

（1. 東北林業大學園林學院，哈爾濱 150040；2. 上海師范大學天華學院，上海 201815）

全球氣候變化加劇了非生物脅迫發生的頻率和程度，植物生長發育會受到一系列環境因子（溫度、干旱、鹽和重金屬等）的影響，并且形態與生理過程發生變化以適應脅迫逆境，如光合與呼吸作用、生物膜穩定性、基因表達與分子調控網絡改變等［1］。其中，光合作用是植物進行物質轉化和能量代謝的關鍵途徑，對其生長發育起著至關重要的調節作用。光系統 II（PSII）是光合作用中最脆弱的部分，其穩定性決定植物的正常生長發育。因此，探究非生物脅迫下PSII 的變化尤為重要。

光合作用的光化學反應是由兩個包括光合色素在內的光系統完成的，即光系統 I（PSI）和光系統II（PSII）。光合色素吸收光能后，會引起電荷分離和光化學反應，一方面將水氧化，釋放氧氣；另一方面進行電子傳遞，將NADP+還原成還原型輔酶II（triphosphopyridine nucleotide, NADPH）（ 圖1）。PSII 存在于光合生物的類囊體膜中，是一種多亞基色素-蛋白質復合物，包含光反應中心（reaction center, RC）、捕光葉綠素a/b 結合蛋白（light?harvesting complex, LHC）以及放氧中心復合物（oxygen?evolving complex, OEC）［2］。當植物面對逆境脅迫時，PSII結構和功能均會發生改變，PSII 天線復合體中的激發能量傳遞和反應中心的電子傳輸受到抑制，導致PSII 反應中心失活［3］。PSII 活性降低和電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）的過度還原還會導致光氧化現象的發生［4］。與此同時，植物可以通過光呼吸消耗過量NADPH［5］、非光化學猝滅（non?photochemical quenching, NPQ）［6］、D1 蛋白周轉以及PSI 和PSII 的環式電子傳遞（cyclic electron flow,CEF）等［7］途徑，來形成光保護機制，避免植物受到逆境脅迫的傷害。

圖1 葉綠體光合電子傳遞過程Fig. 1 Photosynthetic electron transport in chloroplasts

一般來說，PSII 會對逆境脅迫較為敏感，而葉綠素熒光技術作為一種可以快速、無損檢測植物光合性能的方法，在分析植物PSII 光化學活性、電子傳遞能力及光能利用方面發揮著重要的作用［8］，并且在小麥［9］（Triticum aestivumL.）、棉花［10］（Gos?sypiumspp）、 水稻［11］（Oryza sativaL.）、 玉米［12］（Zea mays）等植物中被廣泛應用。通過分析熒光誘導動力學曲線（chlorophyll fluorescence kinetics curve,OJIP），可以有效地探究不同環境脅迫對PSII 和光合電子傳遞鏈組分的生理狀況，更深入了解植物的原初光化學反應以及PSII 反應中心電子氧化還原狀態［13］。因此，基于葉綠素熒光參數以及熒光動力學曲線，分析植物在非生物脅迫下PSII 電子傳遞效率和能量分配比率，可以更明確植物的光吸收和保護機制。

近年來，PSII 作為光合機制中最易受影響的部分，非生物脅迫對其影響備受關注。基于此，本文對植物光系統 II（PSII）應答非生物脅迫，如溫度、干旱、鹽以及重金屬的機理研究進行了歸納，并提出了研究展望，旨在為更深入理解逆境脅迫下的植物光合適應機理提供理論依據。

1 溫度脅迫對植物PSII 的影響

在逆境脅迫下，植物的光合色素易發生降解，這不僅會降低捕光天線的工作效率，還會影響PSII的結構和功能。其中，短期溫度脅迫會破壞質體內光合色素的生物合成，導致光合色素（Chl）積累減少；長期脅迫則會觸發Chl 的降解，甚至會對其造成不可逆的損害。PSII 復合體極易受到溫度的影響，即使是在短時間的高溫脅迫下，PSII 的反應中心（RC）和放氧中心復合物（OEC）也會受到抑制，并且后者較前者更為敏感［14］。OEC 結構由該亞基和其他3種PSII 外在蛋白（PsbP、PsbQ 和PsbR）組成，但高溫會抑制水氧化，同時會使外在蛋白從OEC 復合體中分離，因此，OEC 的供體位點會成為溫度脅迫時損傷的主要靶位點［15］。捕光葉綠素a/b 結合蛋白（LHC）參與光能的吸收和運輸，其表達水平的變化會直接影響光系統的活性［16］。逯久幸等［17］研究發現，LHC 結合基因在低溫處理后下調表達，這可能會導致捕光復合體的捕光面積減少，降低光能吸收，減少過剩光能對秋菊（Dendranthema morifolium）葉片產生的損傷。

溫度脅迫下PSII 電子傳遞受到影響，其原因一方面是PSII 結構的完整性受到破壞，另一方面是類囊體膜的流動性有所變化，導致PSII 光捕獲復合物移位。前人研究表明，35-45℃可誘導電子的循環運輸，加快類囊體膜的流動性，損害細胞內穩態和植物的代謝［18］。通過快速葉綠素熒光誘導曲線（OJIP曲線），可以有效地判斷溫度脅迫下PSII 反應中心的變化。尹賾鵬等［19］研究發現，隨著溫度的升高，在J 點的相對可變熒光強度（VJ）和在K 點的相對可變熒光強度（VK）均有不同程度的增加，VJ上升說明光合電子傳遞鏈中QA到QB的電子傳遞受阻，還原態QA積累量逐漸增多。VK的增加被認為是PSII 電子供體側放氧復合體OEC 活性受到傷害的特異性標志，高溫導致番茄（Solanum lycopersicumL.）幼苗葉片PSII 光化活性降低的原因，主要與PSII 供體側OEC 的功能及PSII 受體側QA向QB的電子傳遞受阻有關，特別是供體側更為敏感。植物處于高溫脅迫下，還會導致細胞色素Cytb6/f 復合物上的質體醌（PQH2）氧化位點的電子轉移受到抑制。因此，高溫通過降低PSII 受體的氧化性能來影響光合作用，并降低PSII 和PSI 的光合電子傳輸效率。低溫主要通過降低葉片PSII 的實際量子產量（ФPSII）和光化學猝滅系數（qp），引起葉片光合速率下降。李書鑫等［20］基于OJIP 曲線對玉米幼苗葉片響應低溫脅迫的研究結果發現，脅迫下WK顯著增加了44.7%，而OEC 則減少了13.1%；這表明低溫脅迫會造成玉米葉片供體側損傷。與此同時，低溫還會造成ψO、ψEO分別減少6.82%、29.7%，這也進一步證實了在PSII 中電子傳遞受阻從而抑制電子傳遞，影響植株的光合能力。

溫度脅迫抑制PSII 的活性，導致PSII 光化學效率的下降和光抑制的發生。隨著高溫脅迫程度和脅迫時間的增加，黃瓜（Cucumis sativusL.）葉片單位PSII 反應中心吸收的光能（ABS/RC）、捕獲用于還原QA的能量（TRo/RC）和耗散掉的能量（DIo/RC）均有所升高，而單位PSII 反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量（ETo/RC）則降低，這表明天線色素吸收和捕獲的光能增加，但用于電子傳遞的能量減少，出現PSII 的光抑制［21］。PSII 反應中心的D1 蛋白是發生光合抑制的初始位點，低溫會抑制參與PSII 光損傷修復循環蛋白質的從頭合成以及產生成熟D1蛋白的前體加工，使PSII 的光抑制明顯增加［22］。Murata 等［23］分別研究了低溫脅迫對光損傷和修復過程的影響發現，低溫抑制PSII 的光修復，但不影響對PSII 的光損傷。而且低溫脅迫下還會誘導活性氧（reactive oxygen species, ROS）的產生，間接引起細胞膜損傷，因此溫度脅迫下PSII 光抑制也有部分原因是PSII 能量過剩造成的。

2 干旱脅迫對植物PSII 的影響

干旱脅迫對光系統的影響表現在類囊體基粒空泡化且皺縮變形，從而導致捕獲光子的PSII 解體［24］。缺水條件下NADP 的再生會受到影響，導致電子傳遞鏈過度減少。與此同時，PSII 放氧中心復合物（OEC）在干旱脅迫下成為主要受損位點［25］。PSII 核心蛋白D1、D2 和補光色素蛋白LHCII 的穩態水平，在短期干旱脅迫下也會顯著降低。Pandey等［26］研究發現，隨著干旱脅迫程度的增加，PSII?LHCII 和PSII 二聚體超復合物的豐度減少，而LHCII 單體增加，Sárvári 等［27］也發現了類似結論。這是由于干旱脅迫下植物類囊體的堆積松散，PSII中心復合物發生解離，從而導致了PSII 反應中心核心蛋白減少。除此之外，前人研究發現，干旱脅迫不僅會對PSII 的反應中心造成損害，還會影響PSII光化學［28］和蛋白質磷酸化［29］。Chen 等［30］對擬南芥（Arabidopsis thalianaL.）響應干旱脅迫的研究發現，PSII 蛋白的磷酸化水平在短期干旱脅迫下沒有變化，但長期干旱脅迫則導致其水平顯著降低。

干旱脅迫會使植物PSII 光化學效率降低，電子轉移受阻。PSII 的最大光化學效率Fv/Fm 和效能指數PIABS，均是反映植物PSII 光化學活性的重要指標。Liu 等［31］研究發現，隨著干旱時間的延長，桑樹（Morus albaL.）葉片的Fv/Fm、效能指數PIABS和PItotal值均呈降低趨勢，其中PIABS和PItotal值與CK相比分別降低了37.5%、46.2%，這說明干旱脅迫會導致PSII 光化學活性的降低。另外，PSII 的量子產率（ФPSII）經常被用來預測線性電子傳輸的速率。Miao 等［32］研究發現，隨著干旱強度的增加，紫參（Rubia yunnanensis）幼苗中ФPSII、qP、ETR 值均趨于降低，這表明PSII 反應中心開放的比例降低，用于光化學反應中電子轉移的葉綠素捕獲光能減少，光化學量子產率下降。質體醌（PQ）是光系統 II 與細胞色素之間的溶脂性電子載體，Luo 等［33］研究發現，小麥幼苗干旱脅迫后對PSII 的損害，是由于PQ 池減少引起的線性電子傳輸受阻。葉綠素熒光（chlorophyll fluorescence, ChlF）除了可以用于表示光能的吸收傳遞外，還可以被用來表達反應中心的供體側和受體側的氧化還原狀態。在標準化OJIP 曲線上，烤煙（Nicotiana tabacumL.）幼苗的VJ和VK在干旱脅迫下均有不同程度的增加，說明干旱脅迫下PSII 光化學活性的降解與PSII 供體側和受體側電子傳輸受阻有關［34］。此外，有研究發現，干旱脅迫通常與高溫協同出現，在孫歐文［35］的研究中發現繡球（Hydrangea macrophylla）的Fv/Fm 和Fv'/Fm'隨高溫干旱脅迫程度增加而減小，重度復合脅迫后Fv'/Fm'達最小值，這說明復合脅迫顯著降低了PSII反應中心的活性，且比單一脅迫更為明顯。

光合生物中光抑制是不可避免的，但光合生物能夠通過快速有效地修復PSII 來克服光損傷。因此，光抑制的程度取決于PSII 的光損傷與光修復之間的平衡［36］。干旱脅迫會使PSII 天線色素吸收的能量流向光化學的部分減少，以熱耗散和熒光形式散失的能量增加。Liu 等［37］研究發現，擬南芥通過增加自身NPQ 水平，耗散掉多余的光能并降低光化學反應效率，來避免受到干旱脅迫的危害。在綠豆（Vigna radiata）中，干旱脅迫降低了ETR（ II）的同時也使NPQ 顯著增加，表明干旱脅迫使PSII 受體側電子的積累增加，導致非光化學猝滅增加［38］。NPQ 的增加可能是由于NPQ 的光保護成分增加或非調節光抑制過程。因此，通過引發NPQ 依賴性能量的耗散機制，可以有效保護PSII 功能，維持PSII 光化學活性［39-40］。

3 鹽脅迫對植物PSII 的影響

鹽脅迫也是制約植物生長與產量的重要非生物脅迫因子。鹽脅迫下Na+毒性會對光系統產生比滲透壓更為嚴重的氧化應激，這種鹽誘導的氧化應激會破壞PSII 反應中心、氧進化復合體和奎寧受體的還原活性，從而導致PSII 活性降低［41-42］。Mehta等［43］對小麥的研究發現，鹽脅迫造成的損害在PSII 的供體側比受體側更為突出，當脅迫解除時受體側可以完全恢復，而供體側僅可恢復80%。Yin等［44］研究發現，與對照相比，NaCl 脅迫下在K 點的相對可變熒光強度（VK）增加了14.34%，這表明NaCl 脅迫導致PSII 供體側活性受到抑制和OEC 損傷。因此，鹽脅迫造成的離子脅迫和滲透脅迫會使PSII 系統反應中心受到損傷，降低植物的光合電子傳遞效率以及PSII 的反應中心活性。

高濃度的鹽脅迫不僅會破壞類囊體的結構，降低光合能力，還阻礙類囊體膜上PSII 反應中心電子從供體側向受體側傳遞，降低光化學效率［45］。Salim等［46］研究結果表明，鹽脅迫導致大麥的吸收（ABS/RC）、捕獲（TRo/RC）和電子傳遞（ETo/RC）能量通量均顯著降低，其中ETo/RC 下降最為顯著，與對照相比下降了約39%。這表明脅迫下反應中心的電子轉移降低，降低了PSII 的初級光化學反應。一般來說，正常生長的植物PSII 的最大光化學效率（Fv/Fm）較為穩定，只有在受到脅迫時才會出現明顯變化。周曉瑾等［47］對裸果木（Gymnocarpos przewalskii）的研究發現，其Fv/Fm、ΦPSII 和ETR 值均隨著NaCl濃度的增加呈顯著下降趨勢，表明鹽脅迫影響了裸果木葉片的電子傳遞速率和光化學量子產率，PSII復合體受到破壞，使植物體內有機物質積累減少，這也與劉曉龍等［48］在水稻上的研究結果一致。另外，隨著鹽濃度的增加，桑樹幼苗葉片的ETo/RC和ETo/CSm 顯著降低，DIo/RC 和DIo/CSm 升高，說明在鹽脅迫下，葉片用于電子轉移的吸收能量減少，而用于熱耗散的能量增加，這對降低PSII 中多余的激發能，保護電子傳遞鏈起到了積極的作用［49］。除單鹽脅迫外，植物還會受到鹽堿復合脅迫的危害。張云鶴等［42］的研究表明，低濃度混合鹽堿脅迫下水稻幼苗葉片受到的抑制較小，PSII 受損較輕；當混合鹽堿脅迫濃度升高到120 mmol/L 時，較高濃度的混合鹽堿使光系統 II 反應中心受到嚴重損傷，顯著降低葉片的光能利用率，最終導致植株生長受到抑制。

植物光合作用受到鹽脅迫時，光合電子傳遞鏈上的過剩電子以及過剩的能量會導致活性氧的積累，從而導致過氧化損傷的加劇［50］。劉美岑等［51］研究發現，甜瓜（Cucumis melo）幼苗具有主動響應NaCl脅迫的適應機制，低濃度處理下通過調節氣孔開度、維持高葉綠素含量、提高抗氧化酶活性，從而保持較高的PSII 電子傳遞功能，減緩鹽脅迫對光系統的抑制作用。隨著NaCl 處理濃度的升高，2 個甜櫻桃（Prunus aviumL.）砧木的NPQ 呈現逐漸升高的趨勢［52］，與對照相比，在150 mmol/L NaCl 脅迫下分別顯著增加了73.2%和117.9%。因此在鹽脅迫下植物通過降低PSII 原初光能轉換效率和抑制電子傳遞效率，以減少用于光化學電子傳遞的份額，從而減輕光合器官受損傷的程度；同時PSII 反應中心會啟動保護性調節機制，通過增加熱耗散來消耗過多激發能，從而實現自我保護。

4 重金屬脅迫對植物PSII 的影響

一些金屬元素如鎘（Cd）、銅（Cu）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等同樣會對植物生理代謝過程產生破壞［53］。許多研究表明，重金屬進入植物體內會影響補光天線蛋白復合物對光能的捕獲和傳遞。LHC II b 為主體捕光色素復合物，在植物體內主要以三聚體的形式存在，LHC II b 三聚體結構的形成是高效光能捕獲的前提。Janik 等［54］研究發現，Cd脅迫下黑麥（Secale cerealeL.）幼苗中LHCII b 復合物的含量較對照相比顯著降低，這是因為Cd 會降低LHC II b 的聚集度，三聚體結構減少，單體和寡聚體結構變多，進而降低對光能的捕獲效率。除此之外，重金屬還會對PSII 活性產生不利影響，D1 和D2 作為PSII 的核心蛋白，在Cd 脅迫下其含量顯著下降，但不同品種間的下降存在差異，可能是因為不同水稻品種在Cd 脅迫下具有不同的抗性［55］。高濃度的重金屬還會與PSII 供受體側蛋白結合，破壞蛋白功能，從而導致反應中心兩側產生不平衡的氧化還原狀態。前人研究發現，進入植物體內會與PSII 供受體側蛋白中的?SH 結合，強烈抑制光合電子傳遞鏈，使反應中心兩側產生不平衡的氧化還原狀態，并產生過量的ROS 攻擊PSII 反應中心［56］。Pb 與PSII 蛋白結合可以誘導QB復合酶的結構改變，從而影響PSII 復合物的穩定性［57］。

重金屬不僅會影響PSII 的結構和功能，還會影響PSII 和PSI 的光合電子傳遞。重金屬會抑制植物的PSII 光能捕獲，出現高qp、低ΦPSII 的現象，進而阻礙PSII 供受體側的電子傳遞。植物的最大光化學效率Fv/Fm 在重金屬脅迫下表現一定程度的下降，在甜高粱（Sorghum bicolor）［58］、櫸樹（Zelkova serrata）［59］、水稻［60］等中均發現Fv/Fm 隨脅迫程度增加而降低。前人研究發現，低濃度的Hg 刺激葉綠素合成，改善PSII 反應中心結構，從而提高光合效率，而高濃度的Hg 則抑制PSII 化學活性和光合電子傳遞效率［61］。重金屬會破壞電子傳遞鏈的多個作用點，Chen 等［62］分析了L、K、J 和I 點的相對可變熒光變化發現，Cu 和Zn 脅迫處理葉片的VJ均顯著高于對照，說明QA向QB的電子轉移受到了抑制。Zhang 等［63］研究發現，隨著Pb 和Cd 濃度的增加，桑樹VJ和VK均有一定程度的增加，這表明Pb和Cd 都可以抑制PSII 供體側的OEC 活性，并且抑制PSII 受體側的電子轉移。但VJ和VK在Pb 和Cd脅迫下的變化并不一致。Pb 脅迫下桑葉VJ顯著低于Cd 脅迫，而VK則相反，說明Pb 脅迫對PSII 供體側OEC 的損害更大，Cd 脅迫主要破壞PSII 受體側QA向QB的電子轉移過程；因為Pb 脅迫對桑葉PSII 供體側的損害程度大于Cd 脅迫，所以Pb 脅迫降低了桑葉PSII 受體側的電子壓力。

植物體內過量的重金屬離子還會誘導光抑制量子產率增加，從而打破光抑制與光修復的平衡。植物葉片中PSII 的光抑制不僅與其供體或受體的損傷有關，還與QA的還原程度密切相關。姚廣等［64］的研究發現，隨著Pb 脅迫程度的加深，玉米PSI 和PSII 的活性均不斷下降，PSI 的功能減弱進一步阻止了PSII 向PSI 的傳遞，增加了QA的還原程度，從而加重了PSII 的光抑制。除了NPQ 途徑，環式電子流（cyclic electron flow, CEF）也可以緩解植物在逆境脅迫下的光抑制。楊富文［65］研究表明，CEF 可以增加ΔpH 來驅動合成更多的ATP，從而增加ATP NADPH 產生比，增強PSII 中OEC 的穩定性，緩解光抑制。因此，NPQ 與CEF 是植物PSII 應對不利環境下緩解光抑制的兩種重要調節方式［66］。

5 總結與展望

溫度、干旱、鹽、重金屬等非生物脅迫，是限制全球作物生產力的重要制約因子。盡管植物在應對非生物脅迫時自身具有一定的調節能力，但PSII性能的穩定對提高其抗逆能力尤為重要。基于目前本課題組對植物逆境生理的研究發現，施加外源激素、接種叢枝菌根真菌（AMF）等能顯著提高非生物脅迫下植物的光合能力，增強PSII 的穩定性；并且綜合運用多組學技術對植物光系統抵御逆境脅迫的分子機制做出了進一步闡述。總體而言，逆境脅迫都會干擾PSII 的結構與功能，使電荷分離和能量轉換速度變慢，光反應中心和外部抗氧化體系的功能也受到影響。不利環境條件下抑制植物葉片電子傳遞的位點往往是PSII 的電子供體側和受體側。植物自身具有一定的調節機制，如NPQ、CEF 等途徑都可以緩解逆境脅迫下PSII 的光抑制。本文對國內外非生物脅迫如溫度、干旱、鹽以及重金屬下植物PSII 的研究進行了歸納與總結，基于現有研究存在的問題，未來還需從以下3 個方面進行深入探究：

（1）葉綠體類囊體膜中的色素-蛋白質復合物是植物進行光能吸收、傳遞和轉換的關鍵部位，因而一直是針對PSII 進行研究的熱點。目前對組成PSII 復合體的核心蛋白組分（D1、D2、CP43、CP47、LHCII 復合體）的研究較為詳細，已經在空間結構、能量傳遞及分子生物學方面取得了許多重要的成果［67-68］，但葉綠體類囊體蛋白質組中的大量未知蛋白的功能還有待鑒定。因此，隨著膜蛋白提取分離效率的提高及蛋白質檢測技術的改進，探究更多低豐度蛋白將會有助于對處于非生物脅迫下植物PSII 的功能及結構進行深入了解，同時也可以為PSII 響應逆境脅迫研究提供重要的理論依據。

（2）葉綠素熒光可以測量光合反應中水的光解、電子傳遞、類囊體膜上的pH 梯度形成以及ATP 合成等過程。大多數關于葉綠素a 熒光發射的研究都是基于多相熒光瞬態來獲得熒光動力學參數，但由于影響葉綠素熒光的因素較多，使其對處于非生物脅迫下植物的監測研究變得更為復雜。另外，對于各葉綠素熒光參數在生物學意義上還存在很多爭議且使用鑒定混淆不清，有待統一規范。因此，解析脅迫環境下制約ChlF 因素的關鍵機理，可以進一步解釋PSII 在逆境脅迫下熒光動力學參數變化的分子機制。

（3）PSII 是發生光抑制的原初部位，有關植物PSII 光抑制的研究已然取得了重大突破，目前已發現植物體存在多種光抑制的保護機制，但并不是每種機制都同等重要，并且在防御光破壞的主要機制上還存在種間差異。此外，盡管現階段有關光抑制的研究都是圍繞PSII 開展的，但并不是說光抑制只發生在PSII，仍有部分植物光抑制發生在PSI，對PSII 毫無影響［69-71］。從以上事實和目前的研究現狀可以看出，非生物脅迫下植物光合作用的光抑制是一項極其復雜的研究，仍有許多問題亟待解決，還需進一步探討。