类胡萝卜素在氧的光合作用中是必不可少的：它们使色素-蛋白质复合物稳定，在吸收光和光保护中具有作用。在植物中，类胡萝卜素分为两种：胡萝卜素（只含碳氢两种元素, 不含氧元素）和叶黄素（含有羟基、酮基、羧基、甲氧基等含氧官能团）。尽管缺乏叶黄素的突变植物能够光合自养生长，但迄今为止，尚未报道其光系统中没有胡萝卜素的植物，这导致人们普遍认为胡萝卜素对于光合作用至关重要。
eLife杂志在线发表了来自阿姆斯特丹自由大学Roberta Croce课题组题为“Photosynthesis without β-carotene”的研究论文。该研究通过改造的类胡萝卜素生物合成途径产生仅含有虾青素而没有胡萝卜素的烟草植物。令人惊讶地，尽管它们的类胡萝卜素结合位点由虾青素代替β-胡萝卜素占据或保持空位（即未被类胡萝卜素占据），但两个光系统仍然都完全起作用，说明至少在实验室条件下种植该植物时，没有胡萝卜素的光合作用是可能的。
类胡萝卜素是一大类天然色素，可导致水果和树叶呈现为黄色，橙色和红色。在光合膜中，它们主要与蛋白质有关，形成色素-蛋白质复合物。它们在太阳光谱的蓝色区域具有较大的吸收截面，使它们成为理想的吸收色素，尤其是对水生生物而言。然而，类胡萝卜素在光合作用中的主要作用是光保护。它们具有淬灭叶绿素（Chl）三联体的能力和清除单线态氧的能力，这使其成为生物体生存所必不可少的。此外，类胡萝卜素在称为非光化学猝灭（NPQ）的过程中参与单重态激发态Chls的猝灭，该过程控制膜中激发态的水平，从而保护光合装置免受高光损伤。
光合膜中存在两种类胡萝卜素：胡萝卜素及其氧化衍生物叶黄素。主要的胡萝卜素是β-胡萝卜素（β-car）与光系统I和II的反应中心结合，并且存在于所有进行光合作用的生物中。叶黄素（主要是叶黄素（Lut），新黄质（Neo），紫黄质（Vio）和玉米黄质（Zea））与LHC复合体结合。先前的研究表明，缺少叶黄素但没有β-胡萝卜素的突变植物仍然可以进行光合作用。而且，由于在每个光合作用生物中都可以发现β-胡萝卜素，因此长期以来人们一直认为这种色素对于光合作用必不可少。
该研究通过改造的类胡萝卜素生物合成途径生成突变的烟草植物Asta，该植物缺少β-胡萝卜素，并只含有含有虾青素（如下图）。
进一步发现发现这些植物仍然能够进行光合作用，并得出结论，β-胡萝卜素对于该过程不是必需的。而是，虾青素充当β-胡萝卜素的替代物，并且能够与反应中心和光收集复合物结合。此外，即使某些β-胡萝卜素结合位点仍然是空的，光系统也是稳定的，并且植物仍然能够进行光合作用。此外，研究还表明突变植物对光更敏感，这很可能是由于β-胡萝卜素的含量降低（因此降低了淬灭叶绿素三重态的能力）。
此外，该研究表明Asta植物的生长速度不及野生型植物，因此还需要进一步的工作来评估Asta突变植物的生存力和竞争力，这可能揭示为什么天然植物在其反应中心使用β-胡萝卜素而不使用叶黄素。尽管如此，该研究表明光合作用系统可以适应变化，即使它们是不自然的。这对于重新设计光合复合物，例如提高农作物的产量可能起重要作用。
论文链接：https://elifesciences.org/articles/58984
温馨提示：本文转自“iPlants”，文章转载只为学术传播，无商业用途，版权归原作者所有，如涉及侵权问题，请联系我们，我们将及时修改或删除。
TOPSCI-拓普思由世界知名大学博士团队加盟打造的科研学术分享，SCI论文编辑/SCI期刊解析/SCI论文写作技巧指导/科研工具运用/科研成果转化等。
