薇甘菊光能利用及叶绿素合成在不同光照强度下的响应

[目的]光是植物进行光合作用的重要生态因素之一,光合色素对光的捕获和利用影响植物的生长发育进程,进而影响其在自然生态系统中的生存和适合度.明确薇甘菊(Mikania micrantha)光合生理特征与叶绿素生物合成途径的基因表达对不同光照强度的响应,以及薇甘菊光合能量与叶绿素转化的相互关系,为解析薇甘菊"快速生长"提供生理生态学证据.[方法]以薇甘菊为研究对象,采用乙醇浸提法测定不同光照强度(0、20％、40％、100％)下各光合色素含量,分析其叶绿素a和b比值(Ch1 a/b)的变化规律,比较不同光合途径代表植物(C3、C4和CAM)光合特性;利用微量法和蒽酮比色法分别测定上述光照强度下薇甘菊叶片组织中ATP和淀粉含量;构建不同光照强度下薇甘菊cDNA文库并开展转录组测序;利用OrthoFinder、Blastp、HISAT2、StringTie和R包等生物信息学软件分析不同光照强度变化下薇甘菊叶绿素合成和捕光复合体(LHC)基因表达模式,阐述叶绿素合成途径相关基因表达变化规律.[结果]在100％的光照强度下,薇甘菊叶绿素b和类胡萝卜素含量以及Ch1 a/b与C4植物玉米相近,并且薇甘菊和玉米叶片中Ch1 a/b显著高于C3(水稻和番茄)和CAM(芦荟)植物.不同光照强度下的薇甘菊叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量变化不显著,但Ch1 a/b呈现出随光照强度增加而显著增加的趋势;40％和100％光照强度下,薇甘菊叶片中ATP含量变化幅度较小,而淀粉含量随光照强度上升显著升高;当光照强度为0时淀粉含量急剧下降,此时ATP含量呈现升高趋势;薇甘菊叶绿素生物合成中HEMA、CHLH、CRD1和CAO基因家族的基因表达量受光诱导调控,高光照强度下捕光复合体(LHC)基因的表达量较高.[结论]不同光照强度下薇甘菊叶片可能通过调节叶绿素a和b的合成,调控淀粉和ATP的相互转化,奠定了薇甘菊较高光合速率和较强光适应能力的基础.