aBIOTECH | 王宏斌/靳红磊团队综述植物适应强光的策略和机制

光是地球上最重要的环境因子之一。植物可以通过光系统吸收光能进行光合作用。然而，当植物吸收的光能过多，不能及时有效地加以利用或耗散时，过剩的光能就对光系统造成损伤，降低光合作用效率，影响植物生长发育。植物在长期进化过程中逐渐形成了系列精细的高光适应机制，以维持高光条件下正常的光合作用效率和生长发育。

近日，广州中医药大学药用植物生理生态研究所王宏斌/靳红磊团队在aBIOTECH发表了题为“Strategies for adaptation to high light in plants”的综述论文。该综述围绕“防御-保护-修复”三道防线系统总结了植物适应高光的策略和机制，提出了有待解决的问题，并展望了相关研究前景。

第一道防线：限制吸收过量光。叶片和叶绿体避光运动，植物通过改变叶片角度和叶绿体的位置来减少吸收过多的光。此外，植物细胞中迅速累积酚类化合物，这些化合物起到过滤和反射过量辐射的防晒霜功能。第二道防线：高光保护。植物吸收的过量光能通过非光化学淬灭、环式电子传递、光呼吸以及活性氧（ROS）清除等途径促进光能的耗散，限制活性氧造成的氧化损伤。非光化学能量淬灭(NPQ)将光系统II（PSII）天线复合体中吸收的多余激发能以热的形式耗散掉。环式电子传递在强光和波动光中对PSI和PSII的保护发挥重要作用。光呼吸则充当能量安全阀，防止光合电子传递链过度还原和光抑制的发生。ROS清除系统启动以消除叶绿体中大量产生的ROS，减少光氧化损伤。

Fig. 1 Photoprotection mechanisms in plants

当前两道防线仍然无法避免强光对植物光系统造成损伤时，植物会激活第三道防线：PSII的损伤修复系统，以快速恢复受损的PSII。PSII修复主要包括两方面：PSII复合体的解组装和重新装配。PSII是由数十个蛋白亚基和数百个辅因子组成的多亚基色素-蛋白复合体，并与LHCII结合形成PSII超分子复合体，这是一种位于基粒类囊体的大型超分子复合体。因此，超级复合体首先需要解组装，将受损的PSII释放到基质类囊体（修复场所）中，在这里受损的D1蛋白被迅速降解。随后，叶绿体中又从头合成一个新的D1蛋白插入到PSII反应中心，PSII的组装涉及到一系列高度有序的组装过程，并且有大量的辅助因子参与其中。叶绿体除了作为光合作用的场所外，还能够感知逆境，尤其是光逆境，并将逆境信号传递到细胞核，调节参与逆境响应的基因表达。

尽管目前对植物适应高光的主要策略有了基本了解，但详细的调控机制仍需进一步阐明。例如，植物如何精细感知不同强度的光，不同防线中的光保护因子如何协同工作等。相信随着技术的不断发展，未来将会进一步明晰植物的光保护调控机制，为培育高光效作物提供理论基础。

广州中医药大学药用植物生理生态研究所靳红磊教授和王宏斌教授为本论文的共同通讯作者，张曼博士为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金和区域创新发展联合基金重点项目等资助。

引用本文：

Zhang, M., Ming, Y., Wang, HB. et al. Strategies for adaptation to high light in plants. aBIOTECH (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00164-6