Vai trò của chu trình xanthophyll trong việc bảo vệ khỏi ánh sáng được làm rõ qua các phép đo thay đổi hấp thu do ánh sáng, huỳnh quang và quang hợp trong lá của Hedera canariensis

Photosynthesis Research - Tập 25 - Trang 173-185 - 1990
Wolfgang Bilger1, Olle Björkman1
1Department of Plant Biology, Carnegie Institution of Washington, Stanford, USA

Tóm tắt

Vai trò của chu trình xanthophyll trong việc điều tiết dòng năng lượng tới các trung tâm phản ứng PS II và do đó trong việc bảo vệ ánh sáng đã được nghiên cứu thông qua các phép đo sự thay đổi hấp thu do ánh sáng, huỳnh quang Chl, và sự tiến hóa O2 quang hợp trong các lá ánh sáng và bóng râm của Hedera canariensis. Sự thay đổi hấp thu do ánh sáng tại 510 nm (ΔA510) đã được sử dụng để theo dõi liên tục sự hình thành zeaxanthin thông qua quá trình khử epoxid hóa của violaxanthin. Khả năng phân tán năng lượng không bức xạ (NRD) được ước tính từ sự tắt huỳnh quang không quang hóa (NPQ). Khả năng hình thành zeaxanthin cao ở các lá ánh sáng đi kèm với NRD lớn trong lớp sắc tố ở các cường độ ánh sáng cao (PFDs) như được chỉ ra bởi NPQ rất mạnh khi tất cả các trung tâm PS II đều đóng (F'm) và khi tất cả các trung tâm đều mở (F'o). Mặc dù sự tắt Fo có mặt, nhưng nó ít rõ rệt hơn ở các lá bóng râm, nơi có lượng dự trữ chu trình xanthophyll nhỏ hơn nhiều. Dithiothreitol (DTT) cung cấp qua cuống lá cắt hoàn toàn ngăn chặn sự hình thành zeaxanthin. DTT không có ảnh hưởng có thể phát hiện đến sự tiến hóa O2 quang hợp hoặc năng suất quang hóa của PS II trong ngắn hạn nhưng hoàn toàn ức chế sự tắt của Fo và 75% sự tắt của Fm, cho thấy rằng NRD trong ăng-ten chủ yếu bị chặn. Sự ức chế của tắt này đi kèm với việc đóng cửa tăng cường của các trung tâm phản ứng PS II. Trong sự hiện diện của DTT, một điều trị ức chế quang ở PFD 200 μmol m-2 s-1, sau đó là một khoảng thời gian phục hồi 45 phút ở PFD thấp, đã gây ra một sự giảm 35% trong năng suất photon của sự tiến hóa O2, so với sự giảm ít hơn 5% khi không có DTT. Tỷ lệ Fv/Fm, được đo trong bóng tối cho thấy sự giảm lớn hơn nhiều trong sự hiện diện của DTT so với khi không có DTT. Trong sự hiện diện của DTT, Fo tăng từ 15–20% trong khi không có sự thay đổi nào được phát hiện ở các lá đối chứng. Kết quả cho thấy chu trình xanthophyll đóng vai trò trung tâm trong việc điều chỉnh dòng năng lượng tới các trung tâm phản ứng PS II và cũng cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng zeaxanthin bảo vệ chống lại tổn thương do ức chế quang cho hệ thống quang hợp.

Từ khóa

#chu trình xanthophyll #bảo vệ quang hợp #zeaxanthin #phản ứng PS II #lá cây

Tài liệu tham khảo

Bilger W, Björkman O and Thayer SS (1989) Light-induced spectral absorbance changes in relation to photosynthesis and the epoxidation state of xanthophyll cycle components in cotton leaves. Plant Physiol 91: 542–551 Bilger W and Schreiber U (1986) Energy-dependent quenching of dark-level chlorophyll fluorescence in intact leaves. Photosynthe Res 10: 303–308 Björkman O (1987a) High-irradiance stress in higher plants and interaction with other stress factors. In: Biggins J (ed) Progress in Photosynthesis Research, Vol IV, pp 11–18. Dordrecht: Martinus Nijhoff Publishers Björkman O (1987b) Low-temperature chlorophyll fluorescence in leaves and its relationship to photon yield of photosynthesis in photoinhibition. In: Kyle DJ, Osmond CB and Arntzen CJ (eds) Photoinhibition, pp 123–144. Amsterdam: Elsevier Science Publishers Demmig B and Björkman O (1987) Comparison of the effect of excessive light on chlorophyll fluorescence (77 K) and photon yield of O2 evolution in leaves of higher plants. Planta 171: 171–184 Demmig B, Winter K, Krüger A and Czygan F-C (1987) Photoinhibition and zeaxanthin formation in intact leaves. Plant Physiol 84: 218–224 Demmig B, Winter K, Krüger A and Czygan F-C (1988) Zeaxanthin and the heat dissipation of excess light energy in Nerium oleander exposed to a combination of high light and water stress. Plant Physiol 87: 17–24 Demmig-Adams B, Winter K, Krüger A and Czygan F-C (1989a) Light response of CO2 assimilation, dissipation of excess excitation energy, and zeaxanthin content of sun and shade leaves. Plant Physiol 90: 881–886 Demmig-Adams B, Winter K, Krüger A and Czygan F-C (1989b) Zeaxanthin and the induction and relaxation kinetics of the dissipation of excess excitation energy in leaves in 2% O2, 0% CO2. Plant Physiol 90: 887–893 Demmig-Adams B, Winter K, Krüger A and Czygan F-C (1989c) Zeaxanthin synthesis, energy dissipation, and photoprotection of photosystem II at chilling temperatures. Plant Physiol 90: 894–898 Demmig-Adams B, Winter K, Winkelmann E, Krüger A and Czygan F-C (1989d) Photosynthetic characteristics and the ratios of chlorophyll, β-carotene, and the components of the xanthophyll cycle upon a sudden increase in growth light regime in several plant species. Botanica Acta 102: 319–325 Demmig-Adams B, Adams III WW, Heber U, Neimanis S, Winter K, Krüger A, Czygan F-C, Bilger W and Björkman O (1990) Inhibition of zeaxanthin formation and of rapid changes in radiationless energy dissipation by dithiothreitol in spinach leaves and chloroplasts. Plant Physiol 92: 293–301 Falkowski PG, Kolber Z and Fujita Y (1988) Effect of redox state on the dynamics of photosystem II during steady-state photosynthesis in eucaryotic algae. Biochim Biophys Acta 933: 432–443 Heber U (1969) Conformational changes of chloroplasts induced by illumination of leaves in vivo. Biochim Biophys Acta 180: 302–319 Kitajima M and Butler WL (1975) Quenching of chlorophyll fluorescence and primary photochemistry in chloroplasts by dibromothymoquinone. Biochim Biophys Acta 376: 105–115 Kobayashi Y, Köster S and Heber U (1982) Light scattering, chlorophyll fluorescence and state of the adenylate system in illuminated spinach leaves. Biochim Biophys Acta 682: 44–54 Latimer P and Rabinowitch E (1959) Selective scattering of light by pigments in vivo. Arch Biochem Biophys 84: 428–441 Neubauer C and Schreiber U (1989) Photochemical and non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence induced by hydrogen peroxide. Z Naturforsch 44c: 262–270 Schäfer C and Björkman O (1989) Relationship between efficiency of photosynthetic energy conversion and chlorophyll fluorescence quenching in upland cotton (Gossypium hirsutum L.). Planta 178: 367–376 Thayer SS and Björkman O (1990) Leaf xanthophyll content and composition in sun and shade determined by HPLC. Photosynthe Res 23: 331–343 Thorne SW, Horvath G, Kahn A and Boardman NK (1975) Light-dependent absorption and selective scattering changes at 518 nm in chloroplast thylakoid membranes. Proc Natl Acad Sci USA 72: 3858–3862 Weis E and Berry JA (1987) Quantum efficiency of Photosystem II in relation to ‘energy’ dependent quenching of chlorophyll fluorescence. Biochim Biophys Acta 894: 198–208 Yamamoto HY (1979) Biochemistry of the violaxanthin cycle in higher plants. Pure Appl Chem 51: 639–648 Yamamoto HY and Bangham AD (1978) Carotenoid organization in membranes. Thermal transition and spectral properties of carotenoid-containing liposomes. Biochim Biophys Acta 507: 119–127