動的光による光合成の抑制は、窒素欠乏条件下では、十分な窒素供給条件下よりも、ダイズの方がより少なく、むしろ多くなった

Dynamic light caused less photosynthetic suppression, rather than more, under nitrogen deficit conditions than under sufficient nitrogen supply conditions in soybean.

• Yu-Ting Li
• Ying Li
• Yue-Nan Li
• Ying Liang
• Qiang Sun
• Geng Li
• Peng Liu
• Zi-Shan Zhang
• Hui-Yuan Gao

抄録

背景:

植物は常に動光にさらされている。葉の光合成光利用効率は、一様照度の場合に比べて動的光の場合の方が低い。動的光合成に対する環境要因の影響に関する研究は非常に限られている。窒素は植物にとって、特に光合成にとって重要である。低窒素（LN）は、リブロース-1,5-ビスフォスフェートカルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（Rubisco）を減少させ、その結果、光合成を制限する。ルビスコの減少はLN葉でも光合成の誘導を遅らせることから、LN葉では窒素供給が十分な葉に比べて、均一光と動的光の間のCO固定量の差が大きくなるのではないかと考えた。

BACKGROUND: Plants are always exposed to dynamic light. The photosynthetic light use efficiency of leaves is lower in dynamic light than in uniform irradiance. Research on the influence of environmental factors on dynamic photosynthesis is very limited. Nitrogen is critical for plants, especially for photosynthesis. Low nitrogen (LN) decreases ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) and thus limits photosynthesis. The decrease in Rubisco also delays photosynthetic induction in LN leaves; therefore, we hypothesized that the difference of photosynthetic CO fixation between uniform and dynamic light will be greater in LN leaves compared to leaves with sufficient nitrogen supply.

結果:

この仮説を検証するために、ダイズ植物を低窒素下または高窒素下で栽培し、均一光と動光下で葉の光合成ガス交換、酵素活性、タンパク質量を測定した。その結果、動的光は、LN 葉では HN 葉よりも光合成の抑制が少ないどころか、むしろ多いことが明らかになった。また，その背景にあるメカニズムも明らかにした。このことは，LN葉の光合成の誘導は，ルビスコよりもむしろFBPaseとSBPaseの再活性化に依存していることを示唆している。LN葉では，ルビスコの量がFBPaseとSBPaseよりも減少しており，FBPaseとSBPaseが相対的に過剰に存在していた。LN葉では、動的光の高光期に光合成を回復させるためには、FBPaseとSBPaseの活性化が必要であることが示唆された。そのため、LN葉では高光期に比べて光合成の回復が速く、LN葉では動光による光合成の抑制が緩和されていることがわかった。

RESULTS: To test this hypothesis, soybean plants were grown under low or high nitrogen (HN), and the photosynthetic gas exchange, enzyme activity and protein amount in leaves were measured under uniform and dynamic light. Unexpectedly, dynamic light caused less photosynthetic suppression, rather than more, in LN leaves than in HN leaves. The underlying mechanism was also clarified. Short low-light (LL) intervals did not affect Rubisco activity but clearly deactivated fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase) and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase), indicating that photosynthetic induction after a LL interval depends on the reactivation of FBPase and SBPase rather than Rubisco. In LN leaves, the amount of Rubisco decreased more than FBPase and SBPase, so FBPase and SBPase were present in relative excess. A lower fraction of FBPase and SBPase needs to be activated in LN leaves for photosynthesis recovery during the high-light phase of dynamic light. Therefore, photosynthetic recovery is faster in LN leaves than in HN leaves, which relieves the photosynthetic suppression caused by dynamic light in LN leaves.

結論:

大豆のLN葉では、我々の予想に反して、動的光による光合成抑制は、ダイズのHN葉よりもむしろむしろ少ないことがわかった。これは、動的光による光合成抑制を緩和するストレス条件の最初の報告である。

CONCLUSIONS: Contrary to our expectations, dynamic light caused less photosynthetic suppression, rather than more, in LN leaves than in HN leaves of soybean. This is the first report of a stress condition alleviating the photosynthetic suppression caused by dynamic light.