2024年5月，比利时鲁汶大学的Petar Mohorović等人在Plant Physiology发表了题为Ethylene inhibits photosynthesis via temporally distinct responses in tomato plants的文章，基于乙烯胁迫下番茄不同阶段的响应揭示乙烯抑制植物光合作用的机制，旨在挖掘潜在的耐乙烯转录调节因子。
doi : 10.1093/plphys/kiad685
01
乙烯作为一种挥发性植物激素对植物光合作用有双重作用：低浓度维持正常光合作用，高浓度则抑制光合作用并促进叶片衰老；乙烯抑制植物光合作用表现出三个时间阶段。
乙烯抑制光合作用的表现
早期叶片下垂和气孔导度下降中期碳水化合物代谢调整长期叶绿素和淀粉降解导致叶片早衰
图1.乙烯以剂量依赖的方式影响光合作用
02
该研究使用自动化的乙烯充气系统，通过时间序列RNA-seq和ChIP-seq实验，监测乙烯处理下番茄叶片的生理、生化和分子响应。高浓度乙烯首先会迅速降低番茄叶片气孔导度，减少蒸腾作用进而影响CO2的摄取和光合效率；其次诱导叶片下垂，减少叶冠覆盖面积，降低光照捕获抑制光合作用；进一步降低可溶性糖水平，迫使植物利用替代底物来维持能量代谢。长期乙烯胁迫会导致叶绿素和淀粉降解，加剧抑制光合作用，最终导致叶片早衰。
图2.乙烯对番茄中EBS:GUS表达的影响
03
结果表明，高浓度乙烯导致CO2消耗减少、气孔导度下降、叶片下垂以及可溶性糖和干重减少，验证了乙烯对光合作用的抑制效应。通过ChIP-seq实验，鉴定了乙烯调控光合作用的潜在转录调控因子，如EIL1相关的转录调控因子。
图3.乙烯影响叶绿素的相关途径
图4.乙烯影响光合作用的相关途径
04
乙烯由位于内质网膜上的受体蛋白家族感知，这些受体在乙烯存在时被激活。乙烯信号通过CTR1和EIN2等关键蛋白传导至细胞核，其中EIN2的C端部分激活EIN3和EIL1/2转录因子，进而调控乙烯响应基因的表达。
图5.乙烯对乙烯生物合成和信号传导的影响
05
该研究最后还指出乙烯与脱落酸(ABA)等激素在调控气孔开闭中存在相互作用；乙烯对光合作用的调控具有物种特异性，表现为某些植物中促进光合作用，而在其它植物中抑制光合作用。
图6.乙烯对不同生理、生化和转录相关光合作用过程的影响
该研究通过多层次的实验设计，全面剖析了乙烯对番茄光合作用的抑制作用，揭示了乙烯影响植物光合作用时序性的分子机制，为植物生理学和分子生物学领域的研究提供了新的思路和方向。
doi :10.1093/plphys/kiad685
