低温弱光胁迫后黄瓜叶片光系统I活性恢复的限制因素的研究

Chilling-light stress is one of the most serious abiotic stress for cucumber plants in greenhouse under winter. The photosynthetic apparatus in leaf is the most sensitive to chilling-light stress. The eventual effect of chilling-light stress on photosynthesis is not only a result of the extent of the damage to the photosynthetic apparatus but also depends on the capacity for recovery after the damage has taken place. The loss of carbon assimilation during the chilling-light stress is much less than it during the recovery process. We found that the chilling-light stress could hurt PSI in cucumber leaves, and the damaged PSI recover very slowly, so, the PSI is the limiting factor of recovering photosynthetic carbon assimilation ability after chilling-light stress. However, the research about the recovery of PSI after chilling-light stress in cucumber is almost absence before. My preliminary study showed that the molecular mechanism of damage under chilling-light and recovery after chilling-light are different between PSI and PSII, it maybe one of the reason for extremely slow PSI recovery than the recovery of PSII. Moreover, excess electron transfers from PSII to PSI maybe another factor that limited the recovery of PSI after chilling-light stress. In this study, we will systematically study molecular mechanism of PSI recovery, as well as the limiting factor in the recovery of PSI. On this basis, a new cultivation method for accelerating PSI recovery in greenhouse under winter, and the new target in cold resistant breeding will be proposed.

低温弱光是冬季保护地栽培面临的最大威胁，会严重伤害叶片光合机构。低温伤害不仅发生在胁迫期间，更重要的是胁迫消除后光合活性能否及时恢复。我们初步研究表明低温弱光胁迫会导致黄瓜叶片光系统I、II（PSI、PSII）活性的下降，而胁迫后PSI活性恢复异常缓慢，是光合结构活性恢复的限制因素。但为何PSI恢复大幅慢于PSII，什么限制了PSI的恢复,如何才能加速PSI修复？这些问题对于指导保护地生产很有意义却鲜有报道。本研究中，我们将低温胁迫后的黄瓜植株在不同环境下恢复，通过蓝绿胶-双向电泳以及Western blot系统分析PSI损伤与修复的分子机制，并在恢复过程中干涉PSII源电子，活性氧以及环式电子传递等，从而验证他们对PSI修复的限制作用并阐明其中机理。这将加深我们对PSI修复规律的理解，并在此基础上提出加速低温胁迫后PSI恢复的保护地栽培方法，并为黄瓜低温抗性的遗传改良提供理论指导。

低温弱光是冬季保护地栽培面临的最大威胁，会严重伤害叶片光合机构。低温伤害不仅发生在胁迫期间，更重要的是胁迫消除后光合活性能否及时恢复。我们初步研究表明低温弱光胁 迫会导致黄瓜叶片光系统I、II(PSI、PSII)活性的下降，而胁迫后PSI活性恢复异常缓慢，是光合结构活性恢复的限制因素。但为何PSI恢复大幅慢于PSII，什么限制了PSI的恢复,如何才能加速PSI修复?这些问题对于指导保护地生产很有意义却鲜有报道。本项目研究中我们发现如下结果：（1）PSI是黄瓜叶片在低温弱光胁迫下的首要光抑制位点，也是其在低温弱光胁迫后的恢复过程中的限速位点；（2）PSI天线和反应中心蛋白在低温光抑制以及恢复中的降解与合成的机制不同，特别是反应中心只在恢复过程中发生降解的特点，可能是导致PSI活性恢复缓慢的原因之一；（3）PSII源的电子是PSI光抑制的必要条件和重要决定因素；（4）超氧阴离子和过氧化氢不是PSI光抑制及其恢复的抑制因子；（5）环式电子传递在低温弱光下保护PSI，但不促进常温弱光下PSI活性的恢复，也就是说，环式电子传递不是PSI活性恢复缓慢的原因；（6）在低温弱光处理后的常温弱光恢复过程中，与正常大气二氧化碳浓度（400ppm）相比，更高的二氧化碳浓度明显加剧了Pm的下降并且减缓了Pm的恢复，更低的二氧化碳浓度作用则相反。本项目的研究证实：低温弱光胁迫后，黄瓜叶片光系统I活性恢复的限制因素是PSII活性恢复过快以及PSI反应中心不能同时合成和降解的特殊机制导致的。基于以上研究和初步田间验证，我们提出了通过适当延迟开棚见光以及适当使用UVB来减少PSI的伤害和加速PSI的恢复，从而减少低温胁迫对黄瓜叶片光合机构的影响的栽培措施。