植物生理学论文热门推荐10篇之第六篇：光呼吸代谢途径对植物光合效率提高的影响研究
摘要：[目的]光呼吸是植物重要的代谢途径之一，该过程要消耗大量能量从而降低光合效率，这种效果在C3植物中比C4植物中更明显。抑制光呼吸成为C3植物高光合效率的研究方向之一，为了解光呼吸研究现状。[方法]采用文献综述法对国内外光呼吸研究最新报道进行跟踪。[结果]对光呼吸途径的代谢机制、光呼吸重要生理功能及光呼吸支路最新研究进展做了综述。[结论]一种光呼吸支路的建立对C3植物光合效率提高及产量提高起到较好效果。
关键词：光呼吸； 光呼吸支路； 代谢途径； 光合作用； 转基因；
Abstract:
[Objective]Photorespiration,one of the important metabolic pathways in the plants,is consuming aquantity of energy and reduce the efficient of photosynthesis.Moreover,the effect on C3 plants is more obvious than C4 plants.Since inhibition of photorespiration have become one of the research directions to increase photosynthetic efficiency in C3 plants,the status of photorespiration research is necessary to know.[Methods]Tracking the latest internationally research report on photorespiration.[Results]The metabolic pathways,the important physiological functions and the latest progress of the photorespiration bypass are summarized.[Conclusion]The creation of a bypass of photorespiration had good effect on improving the photosynthetic efficiency of C3 plant as well as increasing the yield.
Keyword:
Photorespiration; Photorespiration bypass; Metabolic pathway; Photosynthesis; Trans gene;
光呼吸（photorespiration）是指植物在光下吸收O2,同时释放CO2的过程。是绿色植物尤其是C3植物体内重要的代谢过程，也是植物高光效研究的重点之一。光呼吸现象最早于1920年发现，Warburg[1] 观察到绿色植物的光合器官在光照下有CO2释放；到20世纪中期，研究者们通过对烟草的研究，进一步阐明了光呼吸途径中乙醇酸代谢的过程[2,3] .此过程依赖于RuBP羧化/加氧酶（Rubisco）的参与，该酶具有双重催化特性，既能催化CO2与1,5-二磷酸核酮糖（RuBP）羧化反应生成3-磷酸甘油酸（3-PGA），也能催化O2与RuBP加氧反应生成2-磷酸乙醇酸和3-PGA,生成的3-PGA返回参与卡尔文循环。Rubisco的双重催化程度取决于CO2和O2浓度的比值，若该比值高，则利于与CO2的羧化反应，若该比值低，则利于与O2的加氧反应，且由于光呼吸过程的一系列中间化合物均含有2个碳原子，因此光呼吸途径又被称为C2循环[4] .
绿色植物由于光合作用中不同的碳固定机制，存在C3植物和C4植物的差别。C4植物由于叶片组织结构特点，CO2在叶肉细胞中固定后，会在维管束鞘细胞被重新释放，使得该处细胞CO2/O2比值升高，抑制了Rubisco与O2的加氧反应，光呼吸强度较大程度减弱，甚至可以忽略不计，因此C4植物的光合效率普遍较高[5] .而C3植物光呼吸强度很高，消耗有机物也多，其净光合效率比C4植物降低25%~30%[6,7] .近年来，人们对光呼吸的研究不断深入。本文就光呼吸代谢途径、光呼吸功能及光呼吸支路途径的建立最新进展等方面做一阐述。
1 光呼吸代谢途径
光呼吸代谢途径涉及叶绿体、过氧化物酶体和线粒体3个不同的细胞器，并有众多酶的参与[7] .光呼吸代谢起始于叶绿体（图1），在叶绿体中Rubisco催化RuBP和O2反应生成磷酸乙醇酸（P-glycolate），P-glycolate在磷酸酶（PGP）作用下脱去1分子磷酸生成乙醇酸（Glycolate）。Glycolate进入过氧化物酶体，被乙醇酸氧化酶（GOX）催化产生乙醛酸（Glyoxylate）和H2O2,H2O2在过氧化氢酶（CAT）作用下生成H2O,并释放出O2;Glyoxylate和谷氨酸（Glutamate）在转氨酶（SGAT）催化下交换基团生成甘氨酸（Glycine）。Glycine进入线粒体中，在甘氨酸脱羧酶复合体（GDC）和丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）共同催化下生成丝氨酸（Serine）并放出NH3和CO2.Serine又回到过氧化物酶体，在SGAT作用下生成羟基丙酮酸（Hydroxypyruvate），Hydroxypyruvate在羟基丙酮酸还原酶（HPR）作用下生成甘油酸（Glycerate）；甘油酸又转运回叶绿体中，在甘油酸激酶（GK）作用下磷酸化为3-PGA重新回到卡尔文循环[8] .
图1 光呼吸代谢途径（黑箭头）及其支路途径（红箭头）[9] Fig.1 Photorespiration pathway（black arrows）and its trans gene bypass（red arrows）
光呼吸产生的NH3经过再同化被回收。NH3首先从线粒体进入叶绿体中，被谷氨酰胺合成酶（GS）重新固定生成谷氨酰胺（Glutamine），谷氨酰胺在谷氨酸合成酶（GOGAT）催化下生成谷氨酸，谷氨酸又进入过氧化物酶体参与光呼吸[10] .该过程对NH3的固定不仅减少了氮素的损失，还避免了NH3对植物的毒害[11] .
2 光呼吸的功能
光呼吸过程要消耗能量，且重新释放光合作用固定的CO2和NH3,因此长期以来，人们都认为光呼吸是一个无用的耗能过程[12] .研究者们曾致力于抑制光呼吸的高产作物研究，但无论是通过化学药剂减弱光呼吸还是构建光呼吸突变体都收效不大，一些完全抑制光呼吸的突变体甚至还会导致植物的死亡[13,14,15] .随着进一步了解，人们逐渐意识到光呼吸对植物的正常生理活动有着重要的意义[7,16] .
2.1 光呼吸减轻光抑制对植物的伤害
光抑制指强光或多余光照会造成植物光合效率降低，长时间光抑制还会使叶绿体被破坏，造成光氧化。光呼吸减轻光抑制对植物伤害的机制如下：（1）过剩光照条件下，光呼吸强度增大，叶片中Rubisco含量增加，有效防止气孔关闭导致的细胞间隙CO2浓度降低，减弱光合作用受到的低CO2浓度胁迫[17,18] ;（2）光呼吸代谢释放1分子CO2比光合作用固定1分子CO2多消耗两倍能量，可有效消耗强光条件下过剩的光能，实现对光合机构的保护[19,20] ;（3）光呼吸代谢在磷酸乙醇酸转化成乙醇酸时释放磷，缓解了磷不足对光合作用的限制，使光合能力得以维持，间接减轻光抑制[21] ;（4）光呼吸参与PSⅠ和PSⅡ之间的状态转换，保证了电子传递链的稳定运转[22] .
2.2 光呼吸参与植物抗逆反应
光呼吸途径是产生H2O2的重要来源之一，植物在受到逆境胁迫时会启动抗逆程序，其中H2O2作为第二信使在其中起着重要作用[23,24] .当病菌等引起植物抗逆程序时，H2O2能引起植物过敏反应，使被侵染细胞程序性死亡，避免感染进一步扩大；同时，H2O2能促进植保素的合成来提高植物抗病性[25] .但是过量的H2O2对植物是有害的，它会引起膜脂过氧化，破坏细胞膜结构，甚至导致植物细胞死亡，因此过量活性氧需要被及时清除[26,27] .
脯氨酸（Proline）是一种重要的抗胁迫物质，在植物抗逆过程中能稳定大分子结构及调节渗透压。植物逆境胁迫如干旱等导致光合过程碳固定降低，阻碍脯氨酸合成。光呼吸代谢途径产生的NH3则可通过氨循环生成脯氨酸，积累脯氨酸参与植物抗逆反应[28] .还原型谷胱甘肽（GSH）是一种抗氧化剂，在直接清除活性氧过程中起重要作用。光呼吸代谢产生的甘氨酸能提高光合细胞中谷胱甘肽的含量，当植物在逆境中需要大量谷胱甘肽保护光合蛋白的巯基基团时，光呼吸就显得及其重要[29] .
2.3 光呼吸降解有毒中间物质及参与其他代谢
光呼吸代谢过程会产生许多有毒中间产物，如Rubisco加氧酶催化产生的2-磷酸乙醇酸和下一步产生的乙醛酸都是有毒的，需要光呼吸代谢以清除。目前已知2-磷酸乙醇酸在较低浓度下就能抑制磷酸丙糖异构酶的活性，阻碍RuBP生成，从而影响卡尔文循环。而光呼吸途径可使2-磷酸乙醇酸转变成磷酸甘油酸参与卡尔文循环[30] .乙醛酸还原酶则可以将过氧化物酶体中产生的乙醛酸还原成无毒害的中间物质[31] .
丙酮酸脱氢酶复合物是三羧酸循环（TCA）的一个关键酶，磷酸化的丙酮酸脱氢酶激酶可使该复合物失活，光呼吸产生的NH4+♂可促进磷酸化的丙酮酸脱氢酶激酶去磷酸化，从而使该复合物重新活化，催化三羧酸循环进行[32] .光呼吸代谢中间物质乙醛酸参与调解琥珀酸转换，在三羧酸循环中也起重要作用[33] .
3 光呼吸支路
光呼吸和光合作用是相矛盾的两个代谢过程，光呼吸消耗的能量极大的减弱了光合效率，一些C3植物光呼吸消耗光合作用固定的能量最多达到25%[34] .随着生物技术的发展，研究者们尝试利用基因工程技术抑制光呼吸来提高光合效率，但效果并不明显，部分光呼吸突变体还会导致植物的死亡，光呼吸的研究还需进一步深入[35] .
细菌可以利用乙醇酸脱氢酶（GlcDH）将乙醇酸转变为乙醛酸，经过进一步代谢将其变为甘油酸，从而在以乙醇酸为唯一碳源的培养基中正常生长[36,37] .Kebeish等[11] 利用这一思路构建了3个表达载体导入拟南芥中，这3个表达载体分别包含了编码乙醇酸脱氢酶的3个亚基（DEF）、乙醛酸醛连接酶（GCL）和羟基丙二酸半醛还原酶（TSR）的基因[38] ,并加入了定位于叶绿体的导肽序列，将它们置于35S启动子之下，在拟南芥叶绿体中建立一条全新的光呼吸代谢支路（图1红色箭头）。该支路直接在叶绿体中将乙醇酸转变为甘油酸，且CO2也在叶绿体中释放，回补了光合作用，同时减弱了光呼吸效果。在Kebeish的实验中，转基因拟南芥与野生型植株相比叶面积更大，总鲜重和干重明显增加，其中地上部分干重约为野生型的1.7倍，根部干重约为野生型的3倍，CO2释放量比野生型减少约30%.
N9lke等[39] 利用相似的思路，未构建乙醇酸代谢途径中后续的GCL和TSR的基因，只构建了一个乙醇酸脱氢酶的D、E、F三个亚基聚合在一起的复合基因（DEFp），置于35S启动子后让其过量表达，转入马铃薯中建立起新的光呼吸支路。最后发现，乙醇酸脱氢酶活性高的转基因株系不仅外形明显增大，能量物质积累也显著增加，其中葡萄糖积累为普通植株的5.8倍，果糖为3.8倍，蔗糖为1.6倍，中间淀粉为3倍，块茎产量为2.3倍。
Dalal等[40] 在探究亚麻荠光呼吸支路时，构建了两个转化载体，一个载体包含乙醇酸脱氢酶的三个亚基D、E、F（DEF2），另一个载体包含TSR和GCL（TG1），将它们分别转入亚麻荠获得了只含DEF2的转基因株系和同时含DEF2和TG1的转基因株系。两种转基因株系和野生型亚麻荠相比，均减弱了光呼吸作用，增加了光合效率；且叶面积、株型明显变大，作为主要油料产物的种子产量明显增加。其中，只含DEF2的转基因株系种子产量增加了50%~57%,同时含DEF2和TG1的转基因株系种子产量增加了57%~73%.Dalal还发现转基因株系生育期比野生型更快，从开花到种子成熟比野生型提前约1周，且植物中氨基酸、脂肪酸等营养物质也明显增加。这些都进一步证明建立光呼吸支路可以提高光合效率，并有望提高产量。
4 展望
多年来，随着研究的不断深入，人们对光呼吸途径和相关基因的了解也更加全面。虽然光呼吸是一个消耗能量的过程，会导致光合效率的降低，影响作物的产量，但作为一个重要的代谢途径，光呼吸无论在C3植物还是C4植物中都不可或缺[16] .研究者们通过化学调控或基因工程技术抑制光呼吸以期提高光合效率，但效果并不理想。有研究者试图将C4植物的CO2浓缩机制相关基因导入C3植物来提高光合效率，但可能由于二者叶片细胞结构不同，也没有达到预期的结果[41] .近年来，研究者利用基因工程技术把细菌体内乙醇酸代谢途径引入C3植物中，在细胞中建立光呼吸支路，实现光呼吸减弱、光合效率提高及产量提高。目前，该技术已在拟南芥[9] 、马铃薯[39] 、亚麻荠[40] 等植物中验证并取得较好的效果。但由于验证过程大都是在温室及低CO2浓度等较理想实验环境下进行的，在自然环境条件下该支路途径能否起作用并达到预期效果还需要室外大田进一步检验。由于光呼吸对C3植物产量影响较大，随着对光呼吸支路的不断探究，可以预见在不久的将来，光呼吸支路的建立会在水稻、菠菜、棉花等更多C3作物高光效高产改良中起到重要的作用。
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