植物通过各种光保护机制应对光强度的突然增加。硫氧还蛋白(Trx)系统的氧化还原调节也有助于这一过程。在以往的研究中，人们已经广泛分析了f型和m型Trx在应对这种波动光照条件时的功能，但对x型和y型Trx的功能却知之甚少。
2023年8月22日，Plant Physiology在线发表了日本冈山大学和京都产业大学联合署名的题为x- and y-type thioredoxins maintain redox homeostasis on photosystem I acceptor side under fluctuating light的文章。科研人员以拟南芥(Arabidopsis thaliana)为研究对象，分析了trx x单突，trx y1 trx y2双突和trx × trx y1 trx y2三重突变体的差异。对光合作用的详细分析揭示了在低光下trx x和trx × trx y1 trx y2中光系统I(PSI)参数的变化。在这些突变体中，PSI的电子受体侧比野生型还原更多。这种突变表型在波动的光照条件下更为明显。在低光和高光阶段，PSI受体侧在trx x和trx × trx y1 trx y2中受到很大限制。在波动光处理后，研究人员观察到trx x和trx × trx y1 trx y2拟南芥株系的PSI光抑制比野生型更严重。此外，当在波动的光照条件下生长时，trx x和trx × trx y1 trx y2植物表现出生长受损和PSI蛋白亚基水平下降。这些结果表明，Trxx和Trxy可以防止PSI受体侧的氧化还原失衡，这是保护PSI免受光抑制所必需的，特别是在波动光下。此外，研究人员还认为Trxx和Trxy即使在恒定的低光照条件下也能保持氧化还原平衡，为光强度的突然增加做好准备。
本研究中，叶绿素荧光和P700差示吸收，波动光(fluctuating light: 5min低光54 μmol m−2 s−1;1min高光1455 μmolm−2 s−1, 三个循环)模拟测量均通过DUAL-PAM-100双通道调制叶绿素荧光仪完成。表征NDH活性的测量通过MINI-PAM-II完成。
下面是部分研究结果。
缺乏 Trx x 和 Trx y 对稳态光合作用的影响
波动光照对 WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2 植物光合作用的影响
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物在波动光光照条件下的可见表型
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物体内2-Cys Prx的氧化还原状态
WT Col-0、trx x、trx y1y2 和trx × trx y1&y2植物叶绿素荧光的瞬时增加表征NDH活性
自然界中的植物通常暴露在波动的光照下。当光照强度超过植物的光合作用能力时，过剩的能量会形成活性氧（ROS），最终导致光抑制。叶绿体有各种适应机制来避免光抑制，优化光合作用性能。
在光合作用的光反应中，光系统II(PSII)分裂水分产生的电子通过细胞色素b6f复合物和PSI转移到NADP+，从而产生NADPH。电子传递与质子转运相结合，在类囊体膜两侧产生质子梯度(ΔpH)，质子梯度用于ATP合成，也是诱导光保护机制所必需的。类囊体腔酸化会减缓通过细胞色素b6f复合物的电子传递，防止PSI的主要电子供体(P700)过度还原，这种机制被称为光合作用控制(photosynthetic control)。在防止PSII氧化应激的机制中，类囊体腔酸化还能促使PSII天线吸收的多余光能热耗散。这一过程被监测为叶绿素荧光的非光化学淬灭(NPQ)。PSI循环电子传递（PSI-CET）是诱导这两种机制并保护PSI免受光抑制的必要条件。拟南芥（Arabidopsis thaliana）proton gradient regulation 5（pgr5）突变体在PSI-CET的主要途径上存在缺陷，不能诱导光合控制和热耗散，并且对强光和波动的光照条件很敏感。
硫氧还蛋白（Trx）系统的氧化还原调节也有助于灵活调节光合作用以应对光照强度的快速变化。在叶绿体中，两个Trx系统以协调的方式发挥作用。NADPH-Trx还原酶C(NTRC)途径是叶绿体所特有的，它主要以NADPH为电子供体还原2-Cys过氧化还原酶（2-Cys Prx）。随后，2-Cys Prx清除过氧化氢并将其转化为水。由于叶绿体中氧化还原失衡，NTRC（ntrc）缺陷突变体即使在持续弱光条件下也会表现出生长迟缓。
在第二种Trx系统，即铁氧还蛋白(Fd)/Trx途径中，Trxs通过Fd-Trx还原酶(FTR)被光合作用还原的Fd还原，还原的Trxs再还原目标酶，从而调节酶的结构和功能。拟南芥叶绿体中含有五种不同类型的Trx：两种Trx f（f1和f2）、四种Trxm（m1、m2、m3和m4）、Trx x、两种Trx y（y1和y2）以及Trx z。大多数与光合作用有关的酶，包括卡尔文-本森-巴塞尔姆（CBB）循环中的酶，白天活跃，夜间不活跃。大量体内和体外研究表明，Trx f和Trx m主要调节这些酶的活性。在从黑暗到照光的转变过程中，需要Trx f快速激活CBB循环酶，以有效诱导光合作用。该研究组以前曾报道过，Trx f和依赖PGR5的PSI-CET通路在这一过程中协同发挥作用，防止光抑制。另外，在光照波动的强光阶段，Trx m1和m2也是充分光合作用所必需的。
相比之下，人们对Trx x和Trx y在波动光条件下的作用知之甚少。在拟南芥基质中，Trx f和Trx m占叶绿体Trx蛋白总量的90%以上，而Trx x和Trx y分别只占总量的6.3%和1.3%。Trx x和Trx y在功能上相互关联，主要作为抗氧化酶的还原底物。Trx y2是Prx Q、甲硫氨酸亚砜还原酶和依赖NADPH的单脱氢抗坏血酸还原酶的电子供体。Trx y缺失突变体(trx y1 trx y2)对强光和干旱的敏感性增加。体外实验显示，Trx x是2-Cys Prx最有效的还原剂，而NTRC似乎主要负责体内2-Cys Prx的还原。与ntrc突变体相比，Trx x缺失突变体(trx x)没有表现出任何明显的生长缺陷。然而，即使在正常生长条件下，将trx x 突变引入ntrc突变体背景也会加剧ntrc的生长缺陷。Trx y的缺失也略微加剧了ntrc的生长缺陷。这些结果表明，Trx x和Trx y在光合作用中也有重要功能。
在此，研究人员对trx x单突变体、trx y1 trx y2双突变体和trx × trx y1 trx y2三突变体进行了表征。在trx x中，PSI的受体侧限制Y(NA)在波动的光照处理下增加，导致PSI光抑制。这种表型在trx × trx y1 trx y2中更为突出。在波动光照条件下生长时，trx x和trx × trx y1 trx y2表现出严重的生长缺陷。结果表明，Trx x和Trx y对PSI受体侧调控做出了贡献。
Yuki Okegawa, Nozomi Sato, Rino Nakakura, et al. x- and y-type thioredoxins maintain redox homeostasis on photosystem I acceptor side under fluctuating light[J]. Plant Physiology, 2023, kiad466.