植物叶黄素循环及其光保护作用的研究进展

李瑾瑾　张强　方炎明

摘要 当植物吸收过量光能时会产生光抑制，引起光合器官的破坏，甚至导致植物死亡。叶黄素循环是植物应对过量光能时主要的光保护机制，可以有效清除并阻止有害副产物三线态的叶绿素分子和单线态氧的积累。因此，植物叶黄素循环相关机理的研究具有重要的理论和实际意义。综述了植物叶黄素循环的组成、关键酶的功能与调节及其在光保护中的作用。

关键词 叶黄素循环；紫黄质脱环氧化酶；玉米黄质环氧化酶；热耗散；光保护

中图分类号 S311 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）05-001-03

Abstract When excess light is absorbed by plants，it will induce photoinhibition，which causes the destruction of photosynthe apparatus，and even leads to the death of plants.Xanthophyll cycle is the main protection mechanism of plants to deal with excessive light energy，which can effectively remove and prevent the accumulation of the harmful byproducts including three line states of chlorophyll molecules and singlet oxygen.Therefore，the research on the mechanism of the xanthophyll cycle has important theoretical and practical significance.The composition of xanthophyll cycle，function and regulation of key enzymes，as well as its function in light protection were summarized.

Key words Xanthophyll cycle； Violaxanthin deepoxidase； Zeaxanthin epoxidase； Heat dissipation； Photoprotection

光合作用是植物将二氧化碳和水转变为有机物的唯一途径，是植物生长的不竭动力。当植物吸收超过其自身需要的光能时，将会导致光抑制甚至光破坏，并对光合作用器官造成潜在的威胁。一般情况下，植物体可以通过自身调节来分配和平衡光能，从而避免过量光能对植物的伤害。在温度、盐及干旱等环境因子胁迫时[1]，即使在弱光下光抑制也会发生，并且比在强光下的影响更加严重。这是由于在环境胁迫下植物各项生理活动能力都较低，尤其是光合能力。

植物在应对过量光能时具有多重保护机制[2]。叶黄素循环与热耗散密切相关，是植物进行光保护的主要机制。近年来，国内外对植物叶黄素循环进行了大量研究，并且取得了一定的进展。笔者综述了植物叶黄素循环的组成、关键酶的功能与调节及其在光保护中的作用，以期为植物叶黄素循环的深入研究提供理论参考。

1 叶黄素循环的组成

叶黄素是植物体内的色素之一，是类胡萝卜素中含氧多萜类的总称。叶黄素主要由含双氧的紫黄质（Violaxanthin，V）、单氧的环氧玉米黄质（Antheraxanthin，A）和玉米黄质（Zeaxanthin，Z）组成，他们是植物进行叶黄素循环的骨架。植物叶黄素循环包括2个反应过程，其互为可逆关系，具体过程[3]如下：当植物吸收过量光能时，含双氧的紫黄质（V）会经过2次脱环化作用分别形成环氧玉米黄质（A）与玉米黄质（Z）；反之，在弱光下玉米黄质（Z）在O2和铁氧还蛋白或者NADPH共存条件下形成环氧玉米黄质（A）和含双氧的紫黄质（V）。此可逆反应有2种重要的酶类参与，分别为强光下作用的紫黄质脱环氧化酶（Violaxanthin de-epoxidase，VDE）和弱光下作用的玉米黄质环氧化酶（Zeaxanthin epoxidase，ZE）。

叶黄素循环位于叶绿体类囊体膜上，它不仅存在于高等植物中，而且在蕨类、苔藓和一些藻类植物中也有存在。但是，他们的循环方式有所不同，高等植物进行紫黄质循环，而藻类植物进行硅甲藻黄素循环[4]，蓝细菌是通过β-胡萝卜素合成玉米黄质[5]。随着对叶黄素循环不断的深入研究，人们对叶黄素循环酶、叶黄素循环作用及其分子机理方面研究取得了很大的进展。

2 叶黄素循环中的关键酶

2.1 紫黄质脱环氧化酶

紫黄质脱环氧化酶（VDE）是一种水溶性的酶类，它分布在高等植物类囊体腔内[6]。自1975年以来，人们分别采用凝胶过滤、凝胶过滤离子交换层析与亲和层析、SDS-PAGE、单半乳糖甘油二脂（MGDG）亲和沉淀法等分离到不同植物的VDE。此外，从不同植物获得的VDE其分子量不同，但相差不大[7]。

此外，研究者对不同植物来源的VDE对紫黄质的Km值进行了测定，发现不同植物之间存在差异。进一步研究发现，这主要是由于不同植物中 VDE 对底物 V 具有不同的亲和力[8]。紫黄质脱环氧化酶的活性主要与pH、抗坏血酸（AsA）、巯基化合物 DTT、温度、UV-B 光、类囊体膜上的单半乳糖甘油二脂（MGDG）等有关[7]。

随着分子生物学的快速发展，VDE的克隆技术也取得了很大的进展。1996年，研究者从莴苣中克隆出了编码VDE的cDNA，并在大肠杆菌中得到表达[9]。随后，学者对烟草、拟南芥的VDE基因序列及其表达后的氨基酸序列也进行了测定。通过对莴苣、烟草和拟南芥的对比发现，三者VDE基因及其表达得到的VDE蛋白有很高的同源性。VDE基因属于核基因，其基因组富含内含子，经转录剪接、加工后得到成熟的mRNA。然后，经过翻译得到含有473个氨基酸的多肽，进一步降解得到含有348个氨基酸组成的成熟蛋白，从而发挥生物学功能。成熟的VDE蛋白中含有3个关键区域：①N-端半胱氨酸富集区[9]；②脂质运载蛋白特征区；③C-端谷氨酸富集区，即电离区[10-11]。

目前对植物VDE基因的分子生物学研究，主要集中在克隆和转化上，通过转入VDE 正义和反义cDNA，从而达到鉴定VDE 在植物体内的生理功能的目的。研究者已经从小麦中成功克隆到VDE基因并测定了其序列[12]，并已将其转入烟草中。同时，VDE基因也在水稻、菠菜、番茄和生姜中得到了克隆。最近，研究人员对毛竹、黄瓜VDE基因进行克隆与功能分析，通过RT-PCR和RACE等技术从毛竹中克隆出VDE基因的 cDNA 序列，全长1 723 bp，编码451 个氨基酸，其成熟蛋白为 348 个氨基酸；成熟蛋白与单子叶的禾本科植物相似度较高。该研究还进行了毛竹紫黄质脱环氧化酶的原核表达和功能鉴定，结果表明通过原核系统表达出来的 VDE 与毛竹体内的 VDE 是相同的，并且能在体外催化紫黄质生成花药黄质，进而生成玉米黄质[13]。此外，还有研究人员利用RT-PCR方法克隆了黄瓜VDE基因的编码区，全长1 470 bp，编码489个氨基酸，分析发现黄瓜VDE基因具有VDE家族共有的特征，与其他植物中的VDE基因的同源相似性较高[14]。此研究还进行了黄瓜CsVDE基因全长启动子及5端缺失片段驱动的GUS活性分析，结果表明CsVDE基因启动子驱动的GUS活性在绿色组织中表现为强烈表达，这与CsVDE基因保护光合器官免受强光破坏的作用有密切相关性。

2.2 玉米黄质环氧化酶

玉米黄质环氧化酶（ZE）位于叶绿体类囊体膜的基质一侧，是一种双功能单加氧酶，在暗处理或弱光下能催化玉米黄质转化为环氧玉米黄质，进一步生成紫黄质。但是，由于技术限制，目前玉米黄质环氧化酶还未从植物中分离出来，其分子结构等相关信息有待深入研究。

玉米黄质环氧化酶的活性主要与NADPH浓度、类囊体腔内的pH、O2、FAD和光等有关，而O2和NADPH是玉米黄质环氧化酶催化反应过程中的协同底物[15]。

目前，虽然玉米黄质环氧化酶还未被分离纯化，但是小麦、水稻、马铃薯、葡萄、胡萝卜、豇豆、蜜橘、杏、盐芥、拟南芥、烟草和衣藻等多种植物ZE的cDNA已经得到了克隆[16]。与VDE不同，ZE是始终具有活性的。因此，植物体内玉米黄质的积累量取决于VDE和ZE二者的相对活性。当光能过量时，VDE的活性升高，玉米黄质就会快速积累[17]。通过分子生物学序列分析发现，ZE基因具有4个序列保守区域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），其中区域Ⅲ是ZE的重要的催化位点之一[18]。在最近的研究中，人们应用 RT-PCR 方法从小麦中克隆出了玉米黄质环氧化酶的cDNA，长度为 1 572 bp，其编码 540个氨基酸，包含了FAD 结合位点和中心未知功能区域。分析发现该 cDNA 序列及预测编码的蛋白序列与水稻的同源性很高[19]。另外，采用RT-PCR方法，研究者从番茄中得到的ZE基因全长2 437 bp，编码669个氨基酸。此外，Northern杂交结果表明ZE基因在番茄的根、茎、叶、萼片、花瓣和果实中均有表达，其表达不受温度和光强的影响，属于内生节律性调控[18]。目前，随着生物信息学的发展，有研究人员利用电子克隆技术原理对甜瓜ZE基因进行了克隆与功能探究。研究表明，ZE基因序列长为 2 323 bp，可编码657个氨基酸残基，具有一个FHA（由56个氨基酸组成）结构域[20]。

虽然叶黄素循环有关的分子生物学研究已成为热门话题，但对叶黄素循环酶的作用机理及调控机制方面的研究还不成熟。目前，对玉米黄质环氧化酶（ZE）的了解尚不够深入。此外，还应进一步探讨在环境胁迫下叶黄素循环酶基因的表达与光抑制及光保护之间的关系。

3 叶黄素循环的光保护作用

叶黄素循环有以下功能：①天线作用；②热耗散；③防止膜脂过氧化；④稳定类囊体膜结构；⑤对蓝光的响应；⑥参与脱落酸的合成。其中，热耗散是叶黄素循环最主要的功能。叶黄素循环通过热耗散起到光保护作用在国内外许多研究中都有报道。

3.1 强光与干旱胁迫条件下叶黄素循环的光保护作用

当植物光合结构所接收的光能超过其所能利用的能量时，就会产生光抑制。此时，植物就会发挥叶黄素循环的热耗散功能进而对植物加以保护。孟庆伟等[21]通过测定田间小麦叶片有关参数，发现晴天中午强光下叶黄素库（V+A+Z）增大，叶黄素循环3个组分的转化百分率（A+Z）/（V+A+Z）明显增加。阴天弱光下无过剩光能，（A+Z）/（V+A+Z）中午不增加。用二硫苏糖醇（DTT）抑制叶黄素循环，中午强光照射2 h后光抑制加重。此结果表明，叶黄素循环通过热耗散对田间小麦进行了光保护，使其免受强光的胁迫。由此可见，叶黄素循环使田间小麦适应了晴天中午的强光胁迫。徐建旭等[22]以温州蜜柑离体叶片为材料，研究表明强光下叶黄素循环对温州蜜柑叶片光合机构在防御光破坏中有重要作用。光谱学研究表明 ΔPRI 能反映植物叶黄素循环库脱环氧化程度的相对大小[23]。李运丽等[24]研究表明紫罗勒在弱光下PRI 下降的幅度较大，ΔPRI 随着叶片在光下暴露时间的增长而增大，这说明叶片叶黄素循环库脱环氧化程度逐渐升高，进一步说明越来越多的光能通过叶黄素循环被耗散掉。

强光虽然是植物光抑制发生的直接因素。但是，在干旱、 盐渍、 营养亏缺等的叠加胁迫下，通过降低植物光合效率及植物光饱和点等，从而加剧植物的光抑制[25]。一般情况下，田间的光抑制都是多种因素共同作用的结果。干旱是植物生长的重要的环境限制因子，是限制农田作物生长的主要因素[26]。尤其植物的光合作用对干旱胁迫最为敏感，它不仅受气孔导度下降的限制，而且会受高度胁迫时叶绿体水平破坏的限制[27-28]。周生荟等[29]研究表明在土壤相对含水量下降的过程中，红砂叶片水势也在相应地下降；叶片净光合速率也明显降低，而水分利用效率随着土壤含水量的减少而升高。在干旱胁迫下，初始荧光出现了明显升高，其日变化趋势为先上升而后下降。另外，红砂在干旱和强光胁迫作用下非光化学猝灭（NPQ）呈现显著增加趋势，表明依赖于叶黄素循环的热耗散机制起着重要作用。同时，参与叶黄素循环的玉米黄素，在干旱胁迫期间含量持续上升[30]，这更进一步证实了红砂干旱期间叶黄素循环的热能耗散机制的光保护作用。高文蕊等[31]研究在干旱胁迫下叶黄素循环抑制剂对欧李光合指标的影响，结果表明外施二硫苏糖醇（DTT）和葡糖胺（Gla） 2种抑制剂会使叶黄素循环受阻，光合效率下降，气孔导度降低，无法正常耗散光能，光合器官自然受到损伤。

3.2 盐胁迫下叶黄素循环的光保护作用

我国海水资源比较丰富，土壤类型多样。植物在海水栽培或盐碱地条件下，容易形成盐害，加剧植株的光抑制，从而影响作物的生长发育。因此，研究作物在盐胁迫下叶黄素循环的光保护性机制具有重要的理论和实践价值。陈新斌等[32]以耐海水菠菜品种荷兰3号为试材，研究了海水胁迫下菠菜叶片叶黄素循环对叶绿素代谢的调控作用，结果表明在海水胁迫下菠菜叶片的叶黄素循环活性被抑制，叶片非辐射能量耗散能力降低，叶绿体ROS积累加重，从而阻碍了叶绿素的合成，并促进了叶绿素的进一步降解，最终降低了菠菜叶片的叶绿素含量。这表明海水胁迫下叶黄素循环在维持菠菜叶片叶绿素代谢的正常运转中发挥着重要作用。刘永慧[33]对二色补血草的研究发现，随着盐浓度的升高，叶黄素脱环化程度逐渐升高，其变化趋势与 NPQ、qE 相一致，且在较高盐分条件下均明显上升，这表明依赖于叶黄素循环的能量耗散在盐胁迫条件下起到了有效的保护作用。张艳[34]以海滨锦葵为试材，得到了与之相同的结果。郭延平等[35]研究表明缺磷胁迫加重了蜜柑叶片的光抑制作用，叶黄素循环的非辐射能量耗散对光合机构免受强光破坏方面起着保护作用。Azzabi等[36]研究表明盐胁迫下小立碗藓依靠叶黄素循环的非光化学猝灭能力大大增强。

3.3 大田遮阴对植物光合特性和叶黄素循环的影响

崔海岩等[37]研究了遮阴对夏玉米光合特性和叶黄素循环的影响，以郑单958和振杰2号为试验材料，在大田条件下设置了花粒期遮阴、穗期遮阴、全生育期遮阴3个处理，其遮光度为 60%，并以自然光照为对照，结果表明遮阴期间ФPSⅡ光合电子传递量子效率降低，而原初光能转换效率（Fv/Fm）和NPQ表现为显著升高，另外叶黄素循环库（A+Z+V）和脱环化状态（A+Z）/（A+Z+V）升高。在长期遮阴条件下，叶片捕获的光能分配发生了变化，叶黄素循环的启动有助于过剩光能的热耗散；遮阴结束初期，（A+Z）/（A+Z+V）和 NPQ 表现为迅速升高。这说明在光恢复初期叶片对弱光适应后的自然光照较为敏感，而叶黄素循环作用的增强抑制了强光对有关光合机构的破坏。谢红英等[38]研究表明高温强光、高温弱光都会使叶黄素循环库减小，（A + Z） /（V + A+ Z） 比值增大，诱导叶黄素循环库被启动，从而参与热耗散过程。Matsubara等[39]对热带树种印加进行了研究，结果表明弱光下印加叶子里叶黄素环氧化物的积累能提高其光捕获率，而强光下叶黄素环氧化物的快速脱环化又有助于其增强光保护作用。

4 展望

近年来，叶黄素循环与光抑制的关系一直是人们研究的热点，但是到目前为止人们对叶黄素循环的色素再生、循环色素库大小的调节、叶黄素循环关键酶紫黄质脱环氧化酶（VDE）和玉米黄质环氧化酶（ZE）的分子调控所知甚少，特别是对叶黄素循环参与的热耗散的分子机理研究尚不清楚。叶黄素循环酶的作用机理和调控机制，则有待进一步研究。有关叶黄素循环的光保护作用是否在植物上发挥更广泛的应用，还有待深入研究。

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