叶绿素荧光仪和光合仪高分应用文章集锦(2024年8月)

本文我们将回顾一下8月份德国WALZ调制叶绿素荧光仪参与发表的13篇高分文章，其中Nature、Light_ Science & Applications、Global Change Biology、PNAS、The EMBO Journal、Computers and Electronics in Agriculture、Plant Physiology各1篇，New Phytologist 2篇，Nature Communications 4篇。研究对象包含拟南芥、海绵、番茄、茄子、隐藻、小麦、水稻、绿萝、欧洲山毛榉、欧洲云杉、无梗花栎、欧洲小叶椴等植物。德国WALZ制造的PAM调制叶绿素荧光仪及光合仪设计严谨，运行稳定，功能完善，操作简单，应用广泛，国际学术界认可度高，在国际植物学研究领域遥遥领先~
1. Chloroplastic ascorbate modifies plant metabolism and may act as a metabolite signal regardless of oxidative stress (Plant Physiology, IF=6.5)

抗坏血酸盐 (Asc)是一种主要的植物代谢物，在从活性氧清除到表观遗传调控的各种过程中起着至关重要的作用。然而，Asc在多大程度上以及如何调节新陈代谢仍然是未知的。2024年8月6日，Plant Physiology在线发表匈牙利HUN-REN植物生物学研究所 Szilvia Z Tóth实验室题为Chloroplastic ascorbate modifies plant metabolism and may act as a metabolite signal regardless of oxidative stress研究论文。文章通过拟南芥叶绿体Asc转运体突变体缺少PHOSPHATE TRANSPORTER 4; 4的株系和Asc缺乏的vtc2-4突变体，研究了叶绿体和整个细胞Asc缺乏的后果。

在正常生长条件下，两种Asc缺陷都会导致光合作用发生微小的变化，但没有明显的氧化损伤迹象。相比之下，代谢组学分析揭示了两种Asc缺陷突变体的代谢组图谱都发生了全面且大体重叠的改变，这表明叶绿体Asc调节了植物的新陈代谢。研究人员观察到氨基酸代谢(尤其是精氨酸代谢)发生了重大变化，核苷酸补救合成途径被激活，次生代谢也发生了变化。此外，对整个蛋白质组的热稳定性分析表明，Asc可能与参与精氨酸代谢、卡尔文-本森循环和几种光合电子传递元件的酶相互作用。总之，文章的研究结果表明，叶绿体Asc可调节维管植物中多种代谢途径的活性，并可作为一种内部代谢信号。

图注：叶绿体Asc控制植物的新陈代谢。A) Asc的生物合成在细胞质中进行，最后一步在线粒体中进行，vtc2编码GDP-L半乳糖磷酸化酶(GGP)，催化Asc生物合成的第一步。PHT4;4将Asc转运到叶绿体中。B)可能与叶绿体Asc相互作用的光合电子传递元件和基质酶(根据本研究中的PISA分析，用蓝色表示)。C)叶绿体和细胞Asc缺乏会导致代谢组发生广泛变化，包括诱导GABA分流和核苷酸补救合成途径。深红色和浅绿色箭头分别表示vtc2-4突变体和pht4;4-3突变体与WT(Col-0)相比，相应代谢物发生了显著变化。灰色条表示已鉴定出特定代谢物，但未检测到相对于WT的显著变化。

2. Marine heatwave-driven mass mortality and microbial community reorganisation in an ecologically important temperate sponge (Global Change Biology,  IF=10.8)

随着全球气候的不断变化，海洋热浪(MHWs)的频率、持续时间和强度都在增加，破坏了全球海洋生态系统。虽然报告的大多数影响都发生在热带地区，但新西兰却在2022年经历了强度最大、持续时间最长的海洋热浪，对海洋海绵造成了严重影响。海绵对岩石底栖海洋生物群落至关重要，其数量影响着生态系统的功能。2024年8月6日，Global Change Biology在线发表新西兰维多利亚大学生物科学学院James J. Bell等人标题为Marine heatwave-driven mass mortality and microbial community reorganisation in an ecologically important temperate sponge的研究论文。文章探讨了2022年那次MHW对新西兰峡湾地区光合作用海绵（Cymbastella lamellata）的影响。

研究海洋热浪对C. lamellata的影响程度、生理反应、死亡率、微生物群落变化和生态影响的结果表明，在本次海洋热浪期间，峡湾的最高气温比平均气温高出4.4℃，持续了 259天。峡湾蓝藻种群中超过90%的蓝藻出现白化现象。从5m-25m的种群数量超过了6600万，是有记录以来最大的一次白化事件。研究人员确定光合共生体为硅藻，白化的海绵光合效率降低。2023年大规模降水后的调查发现，采样点超过50%的海绵已经死亡，但剩余的海绵大多已从之前的白化中恢复过来。通过模拟MHW实验，研究发现温度胁迫是导致海绵坏死而非白化的原因，尽管在野外极少观察到坏死(<2% 的海绵)。这表明漂白可能不是直接导致死亡的原因。研究人员还在存活的海绵中发现了微生物群落的变化，他们认为这代表了微生物介导的对MHWs的适应性反应。他们还发现，薄片海绵是水体中溶解有机碳的主要贡献者，它们的消失可能会影响生态系统的功能。总是，研究人员证明了MHWs有可能扰乱温带地区的主要海洋植物区系，突出了全球温带海绵对MHWs的易感性。 图注：Cymbastela lamellata的生理测量。2022 年峡湾白化事件期间测量的海绵在不同健康状况下的反应；(A)海绵中的色素浓度; (B)快速光照曲线; (C)PSII的最大荧光产量(Fv/Fm); (D)在光照和黑暗条件下的氧通量。
3. NAD⁺ deficiency primes defense metabolism via ¹O₂-escalated jasmonate biosynthesis in plants (Nature Communications, IF=14.7)

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)是一种氧化还原辅助因子，是细胞代谢的中心信号。破坏植物体内NAD的平衡会改变植物的生长和抗逆性，但其潜在机制仍不清楚。2024年8月6日，南方科技大学黄安诚团队在Nature Communications 在线发表题为“NAD⁺ deficiency primes defense metabolism via ¹O₂-escalated jasmonate biosynthesis in plants”的研究论文，该研究概述了植物中NAD⁺缺陷介导的JA诱导和防御启动序列，表明这种防御机制在植物的胁迫响应中起作用。

在该研究中，研究人员利用前期获得的拟南芥NAD⁺合成缺陷突变体qs-2，通过转录组和非靶向代谢组进行整合组学分析，发现NAD⁺合成缺陷却显著增强拟南芥中芥子油苷等次级代谢产物合成与积累。芥子油苷是十字花科植物中一类含硫含氮的特殊次级代谢产物，目前已知在植物应答环境胁迫中发挥重要功能。进一步遗传与生理生化实验结果显示，NAD⁺合成缺陷导致植物(qs-2突变体)中脂肪芥子油苷的高度积累增强了对棉铃虫的抗性，且芥子油苷积累和抗虫活性依赖于防御激素茉莉酸的合成和转导。通过对茉莉酸及其合成通路中间产物靶向进行定量分析，发现NAD⁺合成突变体qs-2中茉莉酸合成的第一步——亚麻酸的过氧化反应被特异高度激活，且该过程高度依赖于叶绿体中特殊活性氧——单线态氧的产生，从而揭示了植物中一条新颖的NAD⁺从头合成缺陷激活单线态氧和防御激素茉莉酸合成，进而增强抗性的信号转导通路。

图注：虫害导致的NAD失调激活了茉莉酸盐的生物合成，从而启动植物防御功能

研究人员在烟草系统和野生型拟南芥虫咬应答条件下复现了NAD⁺含量降低激活单线态氧和茉莉酸合成的信号转导通路，表明此信号转导通路能够在植物调节自身代谢以平衡生长与抗性中起重要作用。因此，本项研究首次揭示了“NAD⁺稳态->单线态氧激活->茉莉酸合成转导->次级代谢产物(芥子油苷)合成”的完整应答通路介导植物抗(虫)性防御反应的分子机制，从而提出了NAD⁺稳态是平衡植物生长与抗(虫)性的关键“代谢监测点”(metabolic checkpoint)的分子模型(图1)，为深入了解植物—环境互作的信号转导机制与代谢基础提供了新见解，也为植物抗性改造和育种增添了理论基础。
4. Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34 promoter fragment during tomato evolution (Nature Communications, IF=14.7)

番茄是全球重要的蔬菜作物，起源于南美洲安第斯山脉地区。在番茄的进化和人类选择过程中，由于生长环境的改变(从高海拔到低海拔)，使得低温不再是番茄进化选择的主要逆境压力，这造成了现代栽培番茄耐寒能力下降。然而，随着我国设施农业的快速发展，冬春低温造成的设施蔬菜冷害业已成为限制产业高质量发展的瓶颈问题。因此，解析设施主栽喜温蔬菜番茄耐寒能力下降的机制，创制耐寒种质和调控技术，对于产业发展具有重要意义。2024年8月6日，浙江大学喻景权院士周杰教授团队在Nature Communications在线发表了题为“Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34 promoter fragment during tomato evolution”的研究论文。该研究以冷敏感的栽培番茄 (Solanum lycopersicum)和耐寒的野生多毛番茄(Solanum habrochaites)为对象，通过多组学联合分析以及生理生化、遗传学和生物信息学等手段，揭示了在野生番茄和栽培番茄中WRKY34低温表达模式差异的原因，及其调控番茄耐寒能力的具体机制。

研究通过对栽培番茄和多毛番茄在低温胁迫下的ATAC-Seq和RNA-Seq联合分析，发现多毛番茄和栽培番茄WRKY34染色质在常温下均呈关闭状态；低温处理后，栽培番茄SlWRKY34附近染色质仍然关闭且表达水平几乎不发生变化，而野生多毛番茄ShWRKY34附近染色质则明显打开且表达受到抑制。通过对过表达WRKY34植株以及slwrky34突变体植株进行低温处理，发现WRKY34负调控番茄耐寒性。 进一步研究发现，栽培番茄WRKY34基因启动子中的一段60 bp 片段缺失造成其WRKY34表达不能响应低温。之后，通过分析376份不同番茄品种WRKY34启动子中60 bp InDel的序列变异情况，并在低温处理后检测不同番茄品种WRKY34的表达水平，揭示了60 bp InDel与不同番茄WRKY34在低温胁迫下表达模式的显著相关性。研究证明了WRKY34基因启动子中的60 bp InDel在调控番茄低温胁迫响应中起着至关重要的作用，且这一调控机制在野生和栽培番茄中存在显著差异。
研究同时发现，低温胁迫下，染色质重塑因子SWIB通过招募转录因子GATA29，协同作用于野生番茄WRKY34基因启动子中的60 bp InDel区域，从而抑制WRKY34的表达，提高番茄耐寒能力。此外，研究还发现，WRKY34在蛋白水平通过与CBF1蛋白互作干扰CBF1对其自身和下游冷响应基因CORs的转录激活功能；而在转录水平上，WRKY34能够直接结合CBFs和CORs启动子，抑制它们在低温下的表达，从而干扰CBF-COR抗冷途径，降低栽培番茄耐寒能力。

综上所述，作者提出了一个野生番茄和栽培番茄耐寒能力差异的新机制。在低温胁迫下，野生番茄S. habrochaites的WRKY34启动子由于存在60 bp片段，使得染色质重塑因子SWIBs能够与其结合，从而打开附近区域的染色质，并招募转录抑制因子GATA29与60 bp内的GATA-box结合，抑制WRKY34的表达，从而解除WRKY34在蛋白水平和转录水平对CBF-COR抗冷途径的干扰作用。然而，栽培番茄WRKY34启动子中60 bp DNA片段的缺失导致其在低温胁迫下无法结合SWIBs，阻止染色质打开和GATA29的招募，从而无法抑制WRKY34的表达和对CBF-COR抗冷途径的干扰，导致栽培番茄耐寒能力的丧失。

5. A Vis/NIRS device for evaluating leaf nitrogen content using K-means algorithm and feature extraction methods (Computers and Electronics in Agriculture, IF=7.7)

准确评估叶氮含量(LNC)对实际生产和肥料管理至关重要。2024年8月7日，西北农林科技大学信息工程学院胡瑾教授课题组在Computers and Electronics in Agriculture发表题为A Vis/NIRS device for evaluating leaf nitrogen content using K-means algorithm and feature extraction methods的研究论文。在这项研究中，卢苗等人设计了一种便携式设备，用于快速、无损地精确评估叶氮含量。

该研究以培养在不同含氮量营养液中的水培茄子为实验样本，进行了各种测量，包括叶绿素荧光(ChlF)诱导曲线、高光谱图像和LNC值。计算了LNC和ChlF参数之间的相关性，其中qN参数与LNC的相关性最高。使用K-Means算法对qN的假彩色图像进行分割，得到三个区域。将光谱数据与叶片中相应区域的LNC测量值进行匹配，并以处理后的光谱数据为输入，LNC测量值为输出，利用偏最小二乘法回归(PLSR)算法建立了LNC预测模型。结果表明，使用标准正态变异-逐次保留信息变量-连续投影算法(SNV-IRIV-SPA-PLSR)的模型性能最佳，预测相关系数(R²)为0.9332，均方根误差(RMSE)为 2.6890 mg/g，剩余预测偏差(RPD)为3.97，性能与四分位距(RPIQ)之比为7.28。根据SNV-IRIV-SPA-PLSR-VIP模型选定的波长，选择了六个窄带发光二极管(LED)作为设计装置的光源。采用廉价模块组装设备，并进行了精度测试。采用PLSR算法开发了设备的LNC评估模型，输入为 6个LED灯下的叶片反射率(结果R²、RMSE、RPD和RPIQ值分别为0.8075、6.6242 mg/g、2.30和4.26)。然后将模型嵌入核心处理器。为了验证该装置的性能，使用了一组独立数据，结果R²为0.7559，RMSE为7.4771 mg/g，RPD为2.07，RPIQ为3.57。所提出的装置可快速准确地测定植物中的LNC，在便携性和成本方面优于其他装置。这项研究为植物肥料管理提供了一种潜在的解决方案。

6. Structural basis for the distinct core-antenna assembly of cryptophyte photosystem II (Nature Communications, IF=14.7)

放氧光合作用是自然界中重要的生命过程，可以将光能转化为化学能，合成有机物的同时释放氧气，为地球上绝大多数生命提供物质和能量。位于类囊体膜上的光系统I(photosystem I, PSI)和光系统II (photosystem II, PSII)对于光合作用光反应至关重要，两个光系统均由核心和外周捕光天线构成，其中光系统核心是高度保守的，但结合在核心外周的捕光天线在不同物种间存在着巨大差异，这些差异反映了不同光合生物对特定生存环境的适应，也体现了自然界中多样的光合调节机制。隐藻是由红藻经次级内共生过程演化出的一类单细胞真核微藻，具有极其独特的捕光天线，包括位于类囊体膜内的叶绿素 a/c 结合蛋白(chlorophyll a/c proteins，CAC)和结合在类囊体膜外腔侧的藻胆蛋白(phycobiliprotein，PBP)。由于缺少隐藻光系统的结构信息，其核心与捕光天线的组装方式及其捕光调节机制尚不清楚，解析隐藻光系统-捕光天线复合物的高分辨率结构不仅为揭示这类光合生物的光合调节机制提供结构基础，而且能够为提高植物的光能利用效率、增加作物产量等提供新思路。

2024年8月9日,中国科学院生物物理研究所李梅研究组在Nature Communications在线发表了题为 Structural basis for the distinct core-antenna assembly of cryptophyte photosystem II 的研究工作。研究团队从平台生长期的隐藻细胞中分离提取到了隐藻PSII-CAC复合物样品，并解析了其2.6 Å分辨率的单颗粒冷冻电镜结构。该结构显示，隐藻中PSII核心与捕光天线CAC的结合方式与已往报道的其它光合生物PSII有很大不同，其CAC蛋白呈带状结合在PSII核心的两侧。在复合物中还发现一个新的核心-天线连接蛋白CAL-II，对整个复合物的形成和稳定至关重要。该研究还对复合物中的色素分子进行了指认，并据此对CAC天线-光系统核心之间的能量途径进行了绘制，并探讨了隐藻PSII-CAC复合物的装配及作用机理，为理解隐藻的光能利用及环境适应机制提供了结构基础和新颖见解。 7. The RING-finger ubiquitin E3 ligase TaPIR1 targets TaHRP1 for degradation to suppress chloroplast function (Nature Communications, IF=14.7)

植物叶绿体在光合作用和免疫中起关键作用，但小麦中控制叶绿体相关核基因表达的精确及时的转录调节机制在很大程度上仍未知。泛素化是一种重要的翻译后调节过程，E3泛素连接酶在植物的激素反应、发育和免疫等多种细胞过程中起作用，但泛素连接酶E3在小麦免疫中的作用及其底物识别模式尚不清楚。2024年8月12日，Nature Communications在线发表了四川农业大学魏育明/许强教授团队联合西北农林科技大学王晓杰教授团队题为The RING-finger ubiquitin E3 ligase TaPIR1 targets TaHRP1 for degradation to suppress chloroplast function的研究论文。本研究揭示了小麦中RING型泛素E3连接酶TaPIR1通过泛素化并降解转录因子TaHRP1来抑制叶绿体功能，从而增加植物对条锈病(Pst)的敏感性。

TaPIR1是小麦抗Pst的负调控因子，TaPIR1在Pst感染的小麦叶片中表达上调，其敲除可增强小麦对Pst的抗性，过表达则降低抗性。TaPIR1与TaHRP1在细胞核中相互作用并使其泛素化，TaPIR1是一种功能性E3 Ub连接酶，能泛素化TaHRP1。TaPIR1可促进TaHRP1在体外和体内的降解，TaHRP1的赖氨酸残基K131和K136 是TaPIR1泛素化的位点，其突变会影响TaHRP1的稳定性和降解。TaHRP1是小麦抗Pst的正调控因子，TaHRP1的缺失会降低小麦对Pst的抗性，过表达则增强抗性，TaHRP1可直接结合PhANGs启动子中的TaHRP1-结合位点元件并激活其转录，从而调节PhANGs的表达。TaHRP1有助于维持叶绿体衍生的ROS稳态，TaHRP1 过表达可促进光合作用和叶绿体衍生的ROS积累，TaPIR1则抑制TaHRP1诱导的ROS在叶绿体中的产生。

本研究揭示了小麦中TaPIR1-TaHRP1级联在Pst与小麦相互作用中的作用机制，为深入理解植物免疫和光合作用的调节提供了新的视角。TaPIR1可能作为基因工程的靶点，通过对其进行修饰或调控，为小麦提供对条锈病的持久抗性，这对于农业生产中防治小麦条锈病具有重要的应用价值。本研究结果有助于进一步探索植物中泛素化修饰在免疫和光合作用调节中的作用，为开发新的抗病策略和提高作物产量提供理论基础。
8. Genetic improvement of phosphate-limited photosynthesis for high yield in rice (PNAS, IF=9.4)

光合作用是作物改良的重要目标之一。光合叶片中的无机磷(Pi)作为ATP合成原料并参与光合蛋白调控以及磷酸丙糖(TP)等光合产物周转,叶片中其含量在一定条件下可能成为光合作用高效运转的限制因素。实际上，田间光合作用的磷限制常发生在抽穗灌浆阶段、需要光合作用高效运转的时期。叶片(源)与种子(库)之间的Pi分配对作物籽粒灌浆有重要影响，然而，Pi在源库之间如何分配调控及其对叶片光合效率的影响尚需解析，有效的遗传解决方案仍有待建立。

2024年8月13日， PNAS在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王鹏课题组与何祖华课题组合作完成的题为Genetic improvement of phosphate-limited photosynthesis for high yield in rice的研究论文，发现水稻OsPHO1;2磷转运蛋白能够向叶片分配无机磷，其表达量与叶片Pi含量、净光合速率以及产量的增高呈正相关。

图注：OsPHO1;2 将 Pi 分配给叶片并促进光合作用。

何祖华课题组之前的研究发现OsPHO1;2控制籽粒中磷的再分配从而影响其灌浆(Ma et al., 2021)。本研究发现，OsPHO1;2功能缺失突变导致叶片Pi缺乏，光合电子传递活性及CO₂同化速率降低，光合作用Pi限制提前发生；过量表达OsPHO1;2有效地延长了高光合速率的持续时间，从而提高了产量潜力。本研究为OsPHO1;2调节叶片中Pi的稳态、TP-Pi反向交换转运效率、光合作用的Pi限制等提供了遗传、生理和生化证据。此外，对核心水稻种质资源的分析表明，与低表达OsPHO1;2的水稻相比，高表达OsPHO1;2的水稻与更高的叶片Pi含量、光合作用和产量潜力相关。更重要的是，对水稻灌浆期叶面喷施磷肥补充Pi，提高了剑叶光合速率，延长了剑叶光合有效期，对籽粒产量的提高有较大贡献；与叶面施用磷酸盐相比，OsPHO1;2相关的遗传改造策略被证明在调节叶片Pi以实现高效光合生产方面是同样有效的。

图注：OsPHO1;2缺失会导致光合电子传递活性和跨类囊体膜质子动力势下降。

这些发现表明，光合作用的磷限制可以通过遗传途径解除或减缓，OsPHO1;2基因可以用于加强作物的育种策略，以获得更高的磷利用效率及光合驱动力。因此，本研究不仅揭示了叶片磷分配、光合作用与粮食产量之间关联的新机制，而且为在有限磷投入的情况下提高作物产量提供了新路径。

9. Strigolactones positively regulate HY5-dependent autophagy and the degradation of ubiquitinated proteins in response to cold stress in tomato (New Phytologist, IF=8.3)

随着全球气候变暖，极端天气增加，植物经常会面临各种各样的胁迫，严重影响其生长发育。低温是一种主要胁迫，限制了许多作物的品质和产量。而番茄作为一种喜温性蔬菜，低温会导致其生长发育停滞，花期延迟，坐果率显著降低。在整个进化过程中，植物已经发展出多种抵御寒冷的机制，其中植物激素调节起着至关重要的作用。同时，自噬参与蛋白质降解和氨基酸循环，在植物发育和逆境反应中起着关键作用。然而，自噬与植物激素之间的关系尚不清楚。2024年8月19日，New Phytologist在线发表浙江大学周杰教授和北京大学现代农业研究院赵珺博士联合署名标题为Strigolactones positively regulate HY5-dependent autophagy and the degradation of ubiquitinated proteins in response to cold stress in tomato的研究论文。

文章探讨了低温胁迫下独脚金内酯调节番茄自噬和泛素化蛋白降解的分子机制。研究发现低温诱导了泛素化蛋白的积累，独脚金内酯生物合成缺失突变体对低温更加敏感，伴随着更多的泛素化蛋白积累。相反，人工合成的独脚金内酯类似物GR24^5DS增强了番茄的低温抗性、自噬体形成和自噬相关基因ATGs的转录水平，降低了泛素化蛋白的积累。与此同时，低温和独脚金内酯诱导HY5的积累，HY5进一步激活ATG18a的转录，进而诱导自噬。ATG18a突变降低了独脚金内酯诱导的低温抗性，导致自噬体形成减少和泛素化蛋白积累增加。这些结果表明，在低温条件下，独脚金内酯以HY5依赖的方式正向调节番茄自噬和促进泛素化蛋白的降解。

图注：番茄通过HYPOCOTYL 5 (HY5)依赖方式激活自噬诱导抗寒性的可能模型。

10. STIC2 selectively binds ribosome-nascent chain complexes in the cotranslational sorting of Arabidopsis thylakoid proteins (The EMBO Journal, IF=9.4)

叶绿体编码的多种跨类囊体膜蛋白质对光合作用复合物至关重要，但人们对其生物发生的协调过程仍然知之甚少。2024年8月27日，The EMBO Journal在线发表德国鲁尔大学Danja Schünemann课题组标题为STIC2 selectively binds ribosome-nascent chain complexes in the cotranslational sorting of Arabidopsis thylakoid proteins的研究论文。文章将STIC2 确定为一种新的核糖体相关因子，并提出STIC2与cpSRP54合作，将D1和潜在的其他叶绿体编码的光合亚基共翻译递送至类囊体膜。

为了确定特异性支持光合系统(PS)II反应中心蛋白D1共翻译生物发生的因子，研究人员生成并亲和纯化了带有D1新生链的停滞核糖体-新生链复合物(RNCs)。翻译可溶性核糖体亚基uS2c的停滞RNCs被用来进行比较。对纯化的RNCs进行定量串联质谱分析，发现了约140个与D1 RNCs有特异性关联的蛋白质，这些蛋白质主要参与蛋白质和辅助因子的生物生成，包括叶绿素的生物合成和其他代谢途径。对新发现的D1 RNC相互因子STIC2的功能分析显示，它与叶绿体蛋白SRP54合作参与了D1以及PSII和PSI的其他潜在共翻译靶向反应中心亚基的从头生物生成和修复。STIC2与类叶绿体插入酶Alb3及其同源物Alb4之间的主要结合界面被绘制到了STIC2的β片区以及Alb3/4 C端区的保守Motif III上。

图注：STIC2和cpSRP54的共同缺失导致拟南芥高光敏感性和D1积累降低。

11. Delivery of luminescent particles to plants for information encoding and storage (Light: Science & Applications, IF=20.6)
2024年8月28日，Nature旗下光学领域顶级期刊Light: Science & Applications在线发表了华南农业大学材料与能源学院雷炳富教授课题组标题为Delivery of luminescent particles to plants for information encoding and storage的最新研究论文。文章创新型的介绍了由H₃PO₄封装的铝酸锶颗粒作为发光标签，能够在植物生长过程中嵌入植物内部进行信息编码和存储的实践性应用。

长余辉材料展现出持久的发光性和高信噪比特性，使它们成为具有新功能属性的创新发光植物标签的有前景的候选材料。在众多发光材料中，SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺(SAO)作为一种领先的长余辉材料脱颖而出，以其强烈且长寿命的余辉发光以及出色的紫外线抗性而闻名。尽管已有大量研究集中在稀土离子掺杂的锶铝酸盐材料和性能提升上，但SAO的耐水性差仍是限制其实际应用的关键挑战。水的强极性使得SAO容易受到水解的影响，因此需要有效的封装方法来保护其相结构。虽然已经探索了各种封装措施，如SiO₂、TiO₂、MgF₂和聚合物封装层，但许多措施牺牲了发光性能，阻碍了材料的应用潜力。因此，探索既能增强耐水性又能提高发光性能的封装技术对于确立SAO作为构建植物标签的优异发光材料至关重要。

利用植物发光标签构建植物信息云平台的示意图在先前报道的工作中，将材料送入植物的常用方法包括叶面喷雾、根部吸收和树干/叶柄注射。然而，这些方法在将微米级颗粒送入植物方面存在局限性。虽然树干/叶柄注射方法可以通过机械损伤角质层和表皮等屏障直接进入维管系统，但其侵入性使其只适合某些大型木本植物。近年来，微针贴片因其最小的侵入性、安全性和效率，在药物输送应用中被使用，呈现出一种有前景的替代方案。在先前的报告中，近红外发光颗粒通过微针贴片注入皮肤，以记录疫苗接种的长期信息。从医疗领域的微针贴片中汲取灵感，研究人员采用它们将长余辉材料送入植物叶片，实现信息记录和编码。为了构建植物中的信息记录平台，首先将SAO与H₃PO₄封装以增强耐水性，并在植物复杂的内部环境中保持稳定的发光。然后，将微针贴片的尖端装载SAO@H₃PO₄，创建排列良好的发光阵列，为植物提供特定的编码信息。这些信息的汇编旨在建立一个智能农业平台，其中植物发光标签作为通往云平台的门户，用于存储各种生理信息，并实现基于物联网的精准农业系统。

H₃PO₄的封装赋予了SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺(SAO)稳定性和更强的发光能力。利用SAO@H₃PO₄作为低损伤发光标签，研究人员通过微针贴片将其输送到植物体内。嵌入植物体内的SAO@H₃PO₄显示出持续且无变化的高信噪比余辉发射，27天内发光强度保持在原来的78% 左右。为了满足不同的信息记录需求，研究人员设计了各种几何形状的微针贴片来装载SAO@H₃PO₄，通过设计的程序可以准确识别不同形状的发光信号，并可以方便地在计算机上查看相应的信息。此外，受二进制信息概念的启发，还创建了发光点和非发光点特定排列的微针贴片，从而在叶片上形成了不同的发光微针贴片阵列。先进的照相系统配合量身定制的程序，能准确识别标签并将其映射到相应的记录信息中。这些发现展示了植物体内低损伤发光标签的潜力，为方便、广泛地存储植物生长信息铺平了道路。

12. Dry inside: progressive unsaturation within leaves with increasing vapour pressure deficit affects estimation of key leaf gas exchange parameters (New Phytologist, IF=8.3)
受全球变化的持续影响，近几十年来，全球范围内的饱和水汽压亏缺(VPD)大幅增加，预计未来还将继续上升。VPD的增加加上全球气温的升高，被认为会对植物功能和与叶片气体交换有关的生理过程产生不利影响。这些影响被认为是森林树木死亡和生长衰退的重要原因。VPD的变化通过改变从叶片细胞间空气空间到大气的湿度梯度以及直接驱动保卫细胞的运动来影响叶片的气体交换。研究经常表明，叶片净光合速率(An)和蒸腾速率(E)对VPD 的增加表现出非线性反应，通常先增加到最大值，然后再下降。然而，几乎同等数量的研究却显示，随着VPD的增加，An和E 呈单调反应，即An下降，而E 升高。这种差异通常归因于植物的等水和非等水调节行为：在大气需水量增加时，等水调节植物通过关闭气孔最大限度地减少水分蒸腾损失，而非等水调节植物则允许叶片水分状态出现大幅波动。此外，An和E对VPD的不同响应模式可能部分归因于叶片气体交换对温度的响应，而温度往往与自然界中的VPD共存。因此，将VPD对叶片气体交换的直接影响与气温的直接影响区分开来，对于理解VPD的变化以及大气干旱如何影响植物在不断变化的环境中的功能的内在机制至关重要。2024年8月28日，瑞士联邦森林、雪和景观研究所Marco M. Lehmann课题组在New Phytologist发表题为Dry inside: progressive unsaturation within leaves with increasing vapour pressure deficit affects estimation of key leaf gas exchange parameters的研究论文。 在这项研究中，Haoyu Diao等人在非限制性土壤供水条件下，对欧洲四种常见树种(Fagus sylvatica、Picea abies、Quercus petraea和Tilia cordata)的盆栽树苗进行了经典在线叶气体交换测量和在线同位素鉴别评估。研究人员在严格控制的湿度和温度条件下进行了测量，在30℃和 35℃(接近光合作用的最适温度)下的VPD梯度为0.8-3.6 kPa，每个温度下评估两个物种。目标是(1)研究恒温条件下叶片气体交换和同位素判别VPD的直接响应；(2)评估 VPD对e_i的直接影响；(3)评估g_s、g_m和叶片内部CO₂摩尔分数对VPD的直接响应，考虑两种情况：一种情况是假设在VPD梯度上e_i饱和，另一种情况是在中高VPD条件下e_i逐渐不饱和。我们的研究结果表明，未来对叶片气体交换关键参数的估算应将叶片内部的不饱和作为一种真实现象加以考虑，这有助于更准确地模拟植物对环境变化的生理反应。 13. Probing plant signal processing optogenetically by two channelrhodopsins (Nature, IF=50.5)
当受到外界胁迫时，固着生长的植物会通过代谢产物水平变化和基因表达重编程进行快速响应。电信号、胞质钙离子浓度（[Ca²⁺] cyt）和活性氧（ROS）信号是植物在面对诸如创伤、病原体攻击、干旱胁迫、盐胁迫等多种胁迫时最早观察到的响应信号因子，并且被认为是相互交织的。然而，这些特异的信号因子转化为特定生理结果的机制尚不清楚。2024年8月28日，德国维尔茨堡大学研究团队在Nature在线发表了题为Probing plant signal processing optogenetically by two channelrhodopsins的研究论文，报道了他们运用精密的光遗传学工具诱导了不同性质的电信号和Ca²⁺信号并探索了这些特异信号所编码的生理响应，为植物胁迫响应机制研究提供了新颖的思路。 本研究中应用了光遗传学工具来编码不同的信号因子。基于视紫红质通道蛋白的光遗传学技术可以通过光对细胞进行非侵入性的精准操作，此类调控具有高度可逆性和时空精准性，可以根据科研工作者的需求编码预期设计的特定信号。研究团队通过对通道视紫红质进行工程改造，得到一种名为 XXM 2.0 的基因工程通道视紫红质变体，它具有高 Ca²⁺电导，能够触发植物体内胞质 Ca²⁺升高。我们同时研究了植物对通过XXM 2.0 光诱导的 Ca²⁺内流的反应以及通过光门控阴离子通道视紫红质 ACR1 2.0 的阴离子外流所引起的效应。
研究结果显示，这两种工具都触发了膜去极化，但它们的激活导致了不同的植物应激反应：XXM 2.0 诱导的 Ca²⁺信号刺激了活性氧物质的产生和防御机制；ACR1 2.0 介导的阴离子外流触发了干旱应激反应。这表明，离散的 Ca²⁺信号和阴离子外流作为特定代谢和基因表达重编程的触发器，使植物能够适应特定的应激情况。研究结果揭示了在植物叶片中，特定的离子通量触发了不同的生理反应，这些反应伴随着相似的电信号。 参考文献
1. Tóth, D., et al. (2024). "Chloroplastic ascorbate modifies plant metabolism and may act as a metabolite signal regardless of oxidative stress." Plant Physiology.
2. Bell, J. J., et al. (2024). "Marine heatwave-driven mass mortality and microbial community reorganisation in an ecologically important temperate sponge." Global change biology 30(8): e17417.
3. Hong, Y., et al. (2024). "NAD+ deficiency primes defense metabolism via 1O2-escalated jasmonate biosynthesis in plants." Nature communications 15(1): 6652.
4. Guo, M., et al. (2024). "Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34 promoter fragment during tomato evolution." Nature communications 15(1): 6667.
5. Lu, M., et al. (2024). "A Vis/NIRS device for evaluating leaf nitrogen content using K-means algorithm and feature extraction methods." Computers and Electronics in Agriculture225: 109301.
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8. Ma, B., et al. (2024). "Genetic improvement of phosphate-limited photosynthesis for high yield in rice." Proceedings of the National Academy of Sciences 121(34): e2404199121.
9. Chi, C., et al. (2024). "Strigolactones positively regulate HY5-dependent autophagy and the degradation of ubiquitinated proteins in response to cold stress in tomato." New Phytologist n/a(n/a).
10. Stolle, D. S., et al. (2024). "STIC2 selectively binds ribosome-nascent chain complexes in the cotranslational sorting of Arabidopsis thylakoid proteins." The EMBO Journal 0(0): 1-21.
11. Li, W., et al. (2024). "Delivery of luminescent particles to plants for information encoding and storage." Light: Science & Applications 13(1): 217.
12. Diao, H., et al. (2024). "Dry inside: progressive unsaturation within leaves with increasing vapour pressure deficit affects estimation of key leaf gas exchange parameters."New Phytologist n/a(n/a).
13. Ding, M., et al. (2024). "Probing plant signal processing optogenetically by two channelrhodopsins." Nature.

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