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    棒曲霉素PAT作為天然新型PSII抑制劑的作用模式


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    化學(xué)除草劑廣泛應用于農業(yè)等領(lǐng)域,但其對人體健康的危害日益受到人們的關(guān)注。此外,抗除草劑雜草的廣泛蔓延,降低了作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此,尋找更廣泛的生物除草劑資源,且毒性低、結構新穎、靶標獨特、環(huán)境友好成為迫切需要研究的課題。

    與傳統的化學(xué)除草劑防治相比,生物防治在雜草防治中發(fā)揮著(zhù)重要作用。天然化合物的開(kāi)發(fā)是生物除草劑開(kāi)發(fā)的重要途徑之一。本研究旨在闡明棒曲霉素PAT的植物毒性,并揭示其作為一種新的天然光系統II (PSII)抑制劑的作用方式。

    PAT對多種植物的毒性研究

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    如上圖,62種植物中43種對PAT表現出良好的敏感性,特別是菊科和禾本科雜草。另外,PAT處理后8種植物,包括4種作物(O. sativa, T. aestivum, Morus alba,& G. barbadense)屬于葉片壞死損傷1~10 mm2的低感植物,因此PAT在雜草控制方面具有廣泛的用途,是一種具有開(kāi)發(fā)潛力的生物除草劑,可用于防治玉米地的外來(lái)雜草和闊葉雜草。

    液相氧電極分段式測定電子傳遞鏈活性定位PAT抑制PSII電子傳遞鏈位點(diǎn)

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    如下圖,為了驗證PAT在植物光合系統中方的作用位點(diǎn),根據Coombs等[1]報道的液相氧電極(Hansatech Instruments Ltd Oxygen Electrode Measurement Systems分段式檢測方法,通過(guò)在葉綠體類(lèi)囊體膜中添加人工電子供體和電子受體的方法,將電子傳遞鏈分為五個(gè)階段分別檢測其放氧活性。

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    類(lèi)囊體膜與不同濃度PAT孵化30min后,測定不同階段的放氧活性,如下圖A,其中表征由H2O至PSI的整體電子傳遞鏈活性的1階段(H2O → MV)、表征PSII活性(含DCMU敏感位點(diǎn))的3階段(H2O → phenylenediamine)和表征PSII&PSI整體活性(除放氧復合體外)的5階段(DPC → MV),此三階段處理的放氧速率均表現出濃度依賴(lài)性的顯著(zhù)下降。

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    而表征PSI活性(不含DCMU敏感位點(diǎn))的2階段和表征PSII活性(不含DCMU敏感位點(diǎn))的4階段處理未發(fā)生顯著(zhù)性變化。
    以上結果表明PAT抑制了PSII的電子傳遞,導致整個(gè)電子傳遞活性降低。此外,PAT不影響PSI和PSII供體側的電子轉移活性。說(shuō)明PAT的作用位點(diǎn)剛好在PSII受體側,與除草劑DCMU的作用位點(diǎn)相似。

    熒光上升動(dòng)力學(xué)OJIP曲線(xiàn)的分析

    為了進(jìn)一步準確地探測PAT對PSII的作用位點(diǎn),作者測定了PAT和DCMU處理的紫莖澤蘭葉片的熒光上升OJIP曲線(xiàn)。

    如下圖,100μM DCMU處理出現了典型的J階躍升,熒光值在J-step快速達到與Fm相同的水平。J階的躍升是由于PSII反應中心QA-的大量積而導致QA后的電子傳遞受阻導致[2,3]。

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    PAT處理的最大熒光值Fm明顯降低,I-和P-相隨之處理濃度和時(shí)間的增加逐漸消失。這一現象與Gliotoxin處理相似,J階的躍升和Fm值的下降,表明gliotoxin不僅阻斷了QA后的電子傳遞,且對PSII天線(xiàn)色素的功能和結構產(chǎn)生了破壞[4]。此外,β-Lactone處理樣品出現Fm的明顯下降是由于它抑制了P680至QA的電子傳遞[5]。

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    如上圖為了研究PAT對熒光上升動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的詳細內在影響,對每條OJIP曲線(xiàn)Fo~Fm進(jìn)行雙重標準化得到可變熒光V= (Ft−Fo)/(Fm−Fo) (上圖C上部)和相對可變熒光ΔVVt(treated)− Vt(control)。

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    上圖C可見(jiàn),與DCMU處理類(lèi)似,PAT對熒光上升動(dòng)力學(xué)的主要影響是J峰的顯著(zhù)增加。此外如圖D,PAT略微降低了K-step。已知K-step的出現與放氧復合體(OEC)的活性有關(guān),K-step或ΔK峰振幅的增加反映了OEC損傷的程度[2,6,7]。在這里,PAT對K-step的振幅有負面影響(上圖D),且導致OEC中心的活性分數略有增加(下圖D)。表明PAT對OEC的活性有輕微的刺激作用。

    JIP-test分析

    JIP-test是分析熒光上升動(dòng)力學(xué)OJIP曲線(xiàn)的有力工具,可以量化PSII在不同脅迫下的行為[2]。

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    增加PAT濃度對Fo幾乎沒(méi)有影響,但顯著(zhù)降低Fm值。暗適應葉片Fo值代表葉綠素天線(xiàn)色素的性能[8]。Fm的下降可能是由于PQ庫的氧化或PSII天線(xiàn)色素結構和功能的破壞導致[9]。
    VJ的快速增加表明PAT阻斷了QA之后的PSII電子傳遞。同時(shí)φEo和ψEo的顯著(zhù)降低也證實(shí)了這一點(diǎn)。φEo是PSII電子傳遞的量子產(chǎn)率,而ψEo則反應了捕獲光子后電子傳遞至QA后電子傳遞鏈中的概率[2]。
     φPo(同Fv/Fm)也發(fā)生顯著(zhù)性下降,表明PAT處理同時(shí)也抑制了PSII原初光化學(xué)反應的最大量子效率。

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    如上圖D,由于PAT中斷了QA至QB的PSII電子流,預計會(huì )發(fā)生PSII反應中心失活事件。QA- reducing centers的快速下降表明PAT確實(shí)導致了PSII反應中心的快速關(guān)閉。QA還原中心的明顯減少必然導致非QA還原中心的增加,這些非QA還原中心也稱(chēng)為熱沉中心(heat sink centers),導致ROS的生成[2,10]。
    熒光參數RJ表示QB位點(diǎn)被PSII抑制劑分子填充的PSII反應中心的數量[2,11]。PAT結合QB位點(diǎn)的PSII反應中心數量呈近似濃度依賴(lài)性的增加,因此,作者認為PAT引起的PSII反應中心失活可能是PAT與D1蛋白結合的結果。

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    見(jiàn)上圖,不同濃度PAT處理與ABS/CSm或TRo/CSm之間存在線(xiàn)性關(guān)系,這說(shuō)明Fm的降低主要是由于A(yíng)BS/ CSm或TRo/CSm值的降低。表明PAT不僅降低了葉綠素的濃度,而且破壞了天線(xiàn)色素組件的構象,降低了天線(xiàn)色素分子之間以及從這些分子到PSII反應中心的光能轉移效率。這可能是由于PSII結構的氧化損傷產(chǎn)生ROS。

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    PIABS作為對各種脅迫最敏感的JIP-test參數,表達了PSII的總體光合活性。葉片暴露于PAT后,PIABS表現出明顯的濃度依賴(lài)性下降。此外,不同濃度PAT存在時(shí),PIABSφEo或 QA- reducing centers之間存在高度的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系(上圖)。這表明PAT引起的PSII電子傳遞受阻導致QA還原中心失活是PSII整體光合活性喪失的主要主導因素。
    綜上所述,PAT主要靶向D1蛋白的QB位點(diǎn),在受體側阻斷PSII電子傳遞。
    PAT與D1蛋白互作建模

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    PAT結合QB位點(diǎn)的分子相互作用模型表明,D1蛋白中的His252殘基通過(guò)形成氫鍵為PAT的O2羰基氧原子提供了一個(gè)關(guān)鍵配體。這不同于經(jīng)典的PSII除草劑和天然的PSII抑制劑。
    因此,PAT是一種新型的天然光合抑制劑,可以設計和組裝具有更強除草劑活性的衍生物,具有開(kāi)發(fā)成生物除草劑或作為模板支架發(fā)現具有更強除草劑活性的新衍生物的潛力。但PAT的準確結合環(huán)境還需通過(guò)晶體學(xué)數據和突變體實(shí)驗進(jìn)一步驗證。

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    漢莎科學(xué)儀器
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