2025年2月27日，Communications Biology在线发表日本东京大学农业与生命科学研究生院Wataru Yamori课题组标题为Identification and characterization of compounds that improve plant photosynthesis and growth under light stress conditions的研究论文。文章通过叶绿素荧光成像系统构建了基于烟草叶圆片的高通量化学筛选系统，发现并验证了蒽醌衍生物(如A1N和A4N)能够通过增强光系统I(PSI)的电子接受能力缓解植物高光胁迫，显著提升光合效率和作物生长，且对非胁迫条件下的植物无负面影响，为农业抗逆化学品的开发提供了新策略。
现有抗逆策略或多或少的都存在局限性。例如基因改造，通过引入玉米GOLDEN2-LIKE基因或苔藓的Flavodiiron蛋白可增强光胁迫抗性，但公众对转基因作物的安全性担忧限制了其应用。化学生物学方法也可以提高作物抗性，已有研究通过小分子化合物调控植物气孔开闭或代谢通路(如乙酸诱导抗旱性)，但针对光胁迫的化学保护剂研究几乎空白。亟需开发一种非转基因的化学保护剂，通过改善光合电子传递效率缓解高光胁迫，同时不影响正常生长条件下的植物表现。
第二步是基于光合参数进行实验验证。在筛选系统的基础上进行叶圆片实验，通过700 μmolm⁻²·s⁻¹强光处理12小时诱导光胁迫，A1N和A4N处理组的光合诱导速率(Y(II))显著高于对照组(图2)。然后进行浓度依赖性评估，低浓度(0.08–2 μg·mL⁻¹)下，蒽醌衍生物显著提升光合效率；高浓度(4 μg·mL⁻¹)可能抑制PSII功能。
除了叶圆片实验，本研究也进行了蒽醌衍生物对完整叶片的实验验证，使用四种植物(烟草、生菜、番茄和拟南芥)进行，A1N处理组在72小时光胁迫后，PSII和PSI的电子传递速率(ETR II/ETR I)及CO₂同化率显著高于对照组(图5)。PSI氧化能力测量实验证实A1N和A4N可作为PSI的电子受体，通过氧化PSI受体侧(如A0/A1)减少过度还原。
第三步是蒽醌衍生物光胁迫抗性化学保护剂的分子机制与基因表达分析。电子传递链定位，蒽醌衍生物在PSI的电子接受能力为MV(甲基紫精)的78-86%，但在PSII中无活性(图4C)。其还原电位(A1N: -816 mV vs. SHE)低于PSI的P700(-1320 mV)，但高于PSII的P680(-620 mV)，表明其特异性作用于PSI。RNA测序相关的转录组分析显示，A1N处理组拟南芥在光胁迫下光合相关基因(如光捕获复合体、电子传递链基因)的表达下调较少，表明其通过保护光合机构减少基因调控压力。
最后，本研究对蒽醌衍生物作为光胁迫抗性化学保护剂的长期效应与安全性进行了评估。通过恢复实验研究发现，光胁迫处理96小时后，A1N处理组的拟南芥、生菜和番茄在恢复期(1周)表现出更高的叶绿素含量(SPAD值)和生物量，且未出现早期开花等胁迫症状(图6-8)。安全性方面，非胁迫条件下，A1N处理组的光合参数和生长指标与对照组无差异。表面施用的蒽醌衍生物在7天内完全降解，无环境残留风险。
其次，本研究首次揭示蒽醌衍生物通过调节PSI氧化还原状态缓解光胁迫的分子机制，填补了化学生物学在光胁迫领域的研究空白。建立的高通量叶圆片筛选系统和技术路线为未来植物抗逆化学品剂的开发提供了高效平台。
最后，也是最重要的一点是蒽醌衍生物的环境与安全性优势，它们天然存在于地衣、植物中，具有低毒性和快速降解特性，符合可持续农业需求。避免了基因改造作物的监管和公众接受度问题。
此外，实验样品PSII和PSI期间电子传输速率的测定还用到了双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100和GFS-3000光合仪及联用叶室。系统全面的评估了蒽醌衍生物对烟草、番茄、生菜和拟南芥幼苗的短期和长期的影响。
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