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责编 | 王一
环境胁迫条件下，尽管植物有多种光破坏防御机制，但光合器官的损坏是光合作用不可避免的一个结果，并且PSI和PSII反应中心均会受到光的氧化损伤，单线态氧能够破坏PSII反应中心，超氧阴离子对PSI反应中心具有很强的破坏作用。PSII在弱光条件下的修复速度很快，几个小时内便可完全修复，这主要是由于D1蛋白的迅速周转，受损PSII亚基的快速修复以及重新构建具有功能性的PSII。研究者们试图想要计算出PSII修复所需能量，但目前还没有一种准确的计算方法。
近日，来自石河子大学农学院张旺锋教授团队和澳大利亚国立大学Wah Soon Chow教授团队的研究人员在New Phytologist在线发表了题为“The energy cost of repairing photoinactivated Photosystem II: an experimental determination in cotton leaf discs”的研究论文。该研究估算了修复一个受损PSII所需的能量约为2.4万个ATP，占总碳同化所需ATP的4.6%，为PSII修复的估算提供了一种新思路和新方法。
高等植物PSII的修复通常是在光下进行的，但棉花叶片在黑暗中也可以快速修复PSII，这一特点简化了对PSII修复所需ATP的估算，因为只需要线粒体呼吸就可以满足PSII修复对ATP的需求。结果发现PSII修复速率与暗呼吸速率之间存在线性关系y=7.63x-10.5（图b），斜率表示单位呼吸速率内15 min修复的PSII占总PSII的百分比，进一步推算得出每修复一个受损PSII所需的能量约为2.4万个ATP。
为了量化某段时间内受损PSII修复所需ATP与碳同化所需ATP的比例关系，需分别确定这段时间内PSII修复的累积量和碳同化的积累量。光照条件下，PSII钝化与修复同时进行，功能性PSII（f）为修复抵消同时发生钝化的最终结果（图e），f的净变化速率随时间t的关系为：df/dt=kr(1-f)-kif，kr和ki分别为修复和钝化系数，kr(1-f)和kif分别为修复速率和钝化速率。实际在不同光强下，kr随时间的变化而降低，kr(t) = kr(0) / (1 + t/)，表示修复系数从开始下降到一半时的时间，那么df/dt=[kr(0)/(1+t/)](1f)kif，PSII修复的绝对量可表示为1.76 kr(t)[1-f(t)]，1.76为单位面积叶片总的PSII含量，[1-f(t)]为总的PSII含量中不具有功能性的PSII部分，7小时内PSII修复累积的量为∑PSIIrepaired，7小时内PSII修复所需总的ATP为∑PSIIrepaired乘以24000ATP(PSIIrepaired)-1。为了与∑PSIIrepaired相比较，确定了7小时净碳同化的累积量（图f）。由于固定一个CO2分子需要3个ATP，7小时内碳同化所需的ATP为净碳同化累积量乘以3。基于以上结果，得出如下结论：用于PSII修复所需ATP与净碳同化所需ATP的比例为6.5%，与总碳同化所需ATP的比例为4.6%。
石河子大学为该论文第一作者单位，该校作物学毕业博士生易小平和姚贺盛为该文共同第一作者，分别于2016年和2017年在澳大利亚国立大学Wah Soon Chow教授实验室留学，现就职于西南大学农生院，石河子大学张旺锋教授和张亚黎教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员、北京林业大学樊大勇教授以及巴里大学的Pasquale Losciale教授参与了研究工作。该研究得到国家自然科学基金项目、澳大利亚研究委员会、CAS战略优先研究项目和国家留学基金委员会的资助。
石河子大学张旺锋教授“棉花高产优质栽培理论与技术”团队主要开展棉花产量生理与高产栽培技术研究。结合新疆绿洲光热资源及灌溉农业的特点，在棉花光合作用与逆境生理、产量形成的生理生态基础、优质高效栽培的技术及其理论、机采棉品质提升的农艺配套技术等方面开展了大量卓有成效的工作。先后承担完成国家科技支撑计划、国家自然科学基金项目等国家级项目20多项；发表学术论文200余篇；获省部级科技进步一、二等奖7项，在新疆棉花高产生理生态与栽培技术研究领域取得重要成果。
论文链接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18165
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