2.2 Photoinhibition: การยับยั้งการสังเคราะห์แสง 

อุณหภูมิสูงมีผลกระทบต่อการเจริญเติบโตและการให้ผลผลิตของพืช โดยเฉพาะขบวนการสังเคราะห์แสง จัดว่ามีความไวต่อความร้อนสูงสุด แม้เพียงอุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิพอเหมาะ(optimum temperature) เพียงเล็กน้อยก็ตาม ก็ทำให้เกิด photoinhibition สมมุติฐานหนึ่งที่อธิบายถึงสภาวะกดดันจากอุณหภูมิสูงมีผลต่อ photoinhibition ก็คือความร้อนมีผลต่อRuBP carboxylation rate โดย activase ลดระดับการทำงานลงจนไม่สามารถกระตุ้นให้ RuBP เริ่มทำงาน( Salvucci and Crafts-Brandner 2004) อีกสมมุติฐาน เสนอว่าอุณหภูมิไปยับยั้งการส่งผ่านอิเล็คตรอน(electron transport) และลดทอน Rubisco activation state ภายใต้ความกดดันจากความร้อน สมมุติฐานที่สามกล่าวว่าความเครียดจากความร้อนไม่ได้ยับยั้งการทำงานของPSIIโดยตรง แต่มีผลต่อการซ่อมแซมPSIIมากกว่า

ในสภาพแปลงในเวลากลางวันเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนอาจถึง40°C พร้อมกับความเข้มของแสงก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย(ระดับ 1000-2000 μmol m-2s-1) ยิ่งทำให้ photoinhibition เกิดขึ้นได้ง่าย อาจกล่าวได้ว่า ความร้อนกับความเข้มของแสงมีผลกระทบที่เสริมทำให้เกิด photoinhibition ได้ง่าย

ผลของอุณหภูมิสูง ไม่มีผลต่อ Fv/Fm แต่มีผลต่ออัตราของ CO2 assimilation (อัตราการตรึง CO2) และPSII photo chemistry เพื่อปกป้องไม่ให้เกิดความเสียหาย ascorbateได้ถูกผลิตขึ้นในchloroplast

การที่พืชได้รับแสงความเข้มจัดเป็นระยะเวลานาน ๆ จะทำให้เกิดความเสียหายอันเนื่องมาจากแสง (photodestruction) ต่อรงควัตถุที่ใช้ในการสังเคราะห์แสง และเนื่องจากการเกิดการซีดจาง (discoloration หรือ bleaching) ของรงควัตถุขึ้นอยู่กับออกซิเจนและแสง ปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า “photooxidation” ด้วย และอาจเป็นสาเหตุของการตายของเซลล์หรือสิ่งมีชีวิต (Powles, 1984; Hendrey et al., 1987) การวัด OX อาจทำได้โดยดู lipid oxidation ผ่าน peroxidase(LPO) โดยองค์ประกอบที่ช่วยให้เกิดความต้านทานต่อ photooxidation คือ chlorophyll a/b ratio, lecithin และ Xanthophyll cycle

 

2.3 Photorespiration การหายใจในเวลากลางวันหรือการหายใจเชิงแสง

2.3.1. กลไกการเกิดการหายใจเชิงแสง (photorespiration)

กระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชโดยใช้คาร์บอน ประกอบด้วยสองกระบวนการที่เชื่อมต่อกัน ได้แก่ วัฏจักรของ C3 หรือวัฏจักรคัลวิน ( the reductive photosynthetic corbon metabolism) และวัฏจักรแบบ C2 (oxidative photosynthesis carbon metabolism) หรือวัฏจักรการหายใจเชิงแสง (photorespiration) ทั้งสองกระบวนการเริ่มด้วยการทำงานของเอนไซม์ชนิดเดียวกันคือ RubisCO โดยมี RubP เป็นสารตั้งต้น โดยการเกิด carboxylation (ตรึง CO2) ของ RubP จะทำให้ได้ 3-phosphoglycerate (3-PGA) ในขณะที่การเกิด oxygenation (ตรึง O2) จะสังเคราะห์ได้หนึ่งโมเลกุลเป็น 3-PGA และอีกหนึ่งโมเลกุลเป็น 2-phosphoglycolate (2-PG)  ซึ่งอัตราส่วน 3-PGA/2-PG นั้นได้ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของ CO2/O2 ในคลอโรพลาสต์  และอัตราส่วนของ CO2/O2 จะเป็นปัจจัยกำหนดความจำเพาะของปฏิกิริยา ให้กับ RubisCO ว่าจะเอื้อให้เกิดปฏิกิริยาแบบ carboxylation หรือ oxygenation ซึ่งจะมีความผันแปรระหว่างชนิดของพืช การคำนวณหาปัจจัยจำเพาะสำหรับ rubisCO (Rubisco specificity factor) สามารถคำนวณได้จาก สูตร (  = Vc/Vo = Vc/Kc x Ko/Vo x [CO2]/[O2]; โดย Kc และ Ko เป็นค่าคงที่ของ Michaelis Menten สำหรับ CO2 และ O2 ส่วน Vc และ Vo นั้นเป็นค่า maximal velocities สำหรับ carboxylation และ oxygenation)  กระบวนการของ photorespiration (C2 cycle) ทำหน้าที่เป็นระบบการหมุนเวียนของคาร์บอน (carbon recovery system) ซึ่งจะเปลี่ยน 2-PG ไปเป็น 3-PGA ที่จะสามารถเข้าสู่วงจรการสังเคราะห์แสงแบบ reductive (C3 cycle)ได้ กระบวนการดังกล่าวจะทำงานร่วมกันระหว่าง 4 ภาคส่วน (compartments) ภายในเซลล์ ได้แก่ chloroplast, peroxisome, mitochondria และ cytosol และต้องอาศัยเอนไซม์ที่ต้องทำงานร่วมกันจำนวนมากรวมทั้งกระบวนการเคลื่อนย้ายสารด้วย (ภาพที่ 7)

ภาพที่ 7

 

กระบวนการตรึง O2 และ CO2 ในคลอโรพลาสต์จะเกิดขึ้นในสภาพสารละลาย ทั้ง O2 และ CO2 ในอากาศจะต้องละลายน้ำก่อนจึงแพร่เข้าสู่คลอโรพลาสต์และทำปฏิกิริยากับ RubP เนื่องจากปฏิกิริยาการตรึง O2 หรือ CO2 เกิดขึ้นที่บริเวณ active site เดียวกัน ดังนั้น O2 จะแข่งขันกับ CO2 ในการทำปฏิกิริยากับ RuBP  ในสภาพที่ความเข้มข้นของ O2 เท่ากับ CO2 นักวิทยาศาสตร์พบว่า ในสภาพหลอดทดลอง เอนไซม์ rubisCO ของพืชชั้นสูงตรึง CO2 ได้เร็วกว่าตรึง O2 ถึง 80 เท่า แต่เนื่องจากสารละลายที่อยู่สภาพสมดุลกับอากาศปกติที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส จะมี O2 มากกว่า CO2 ถึง 24 เท่า ดังนั้น อัตราการตรึง CO2 ในใบพืชจึงมากกว่าอัตราการตรึง O2 เพียงประมาณ 3-4 เท่า ดังนั้นในสภาพบรรยากาศปัจจุบัน (ซึ่งมีปริมาณของ O2 สูง) กระบวนการ oxygenation ของ rubisCO จึงเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วในพืช C3 ภายใต้สภาพแวดล้อมต่าง ๆ ซึ่งทำให้เกิดการหายใจเชิงแสง (photorespiration) ขึ้น วัฏจักร C2 ของ photorespiration ถือว่าเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานไปโดยเปล่าประโยชน์ ดังนั้นนักวิจัยจึงได้มีความพยายามอย่างมากในช่วงเวลา 30 ปีที่ผ่านมาในการที่จะลดความสูญเสียดังกล่าว เช่น การพยายามดัดแปลงปัจจัยจำเพาะของ RubisCO (เพื่อให้จำเพาะต่อ CO2 มากขึ้น) หรือผ่านทางการดัดแปลง metabolism ของกระบวนการเกิดการหายใจเชิงแสง (photorespiration) เพื่อลด/ยับยั้งหรือปรับเปลี่ยนกระบวนการนี้ ดังมีรายงานว่ามีการค้นพบเส้นทางอ้อม (synthetic detour) ของกระบวนการหายใจเชิงแสง (photorespiration) เช่นที่พบใน cyanobacteria ซึ่งมีวิวัฒนาการมาก่อนพืชที่มีคลอโรพลาสต์ ทำให้ทราบถึงกระบวนการหายใจทางแสงแบบทุติยภูมิ และได้นำไปทดลองใน Arabidopsis เพื่อข้ามผ่านกระบวนการหายใจเชิงแสง ผลของกระบวนการแบบทุติยภูมินี้ทำให้เกิดปริมาณของ CO2 สูงในคลอโรพลาสต์ จะส่งผลทางบวกต่อการเจริญเติบโตของพืช

 

2.3.2. วัฏจักรการหายใจเชิงแสง (Photorespiration pathway)

พืชใช้วัฎจักรของกระบวนการหายใจเชิงแสงเพื่อนำคาร์บอนในสารประกอบที่ ถูกออกซิไดซ์กลับมาใช้ประโยชน์ได้ใหม่ โดยสามารถเปลี่ยนกลับมาเป็นสาร 3-PGA โดย 3-PGA หนึ่งโมเลกุลจะกลับคืนมาจาก 2-PG จำนวน 2 โมเลกุล แต่ต้องสูญเสียสารประกอบคาร์บอนในรูปของ CO2 ไปหนึ่งโมเลกุล ดังนั้นจึงนำคาร์บอนกลับคืนมาได้ 75% (3 อะตอม จาก 4 อะตอมคาร์บอน) ทั้งนี้วัฎจักรของกระบวนการการหายใจเชิงแสงจำเป็นต้องมีวัฎจักรคัลวินดำเนิน อยู่ด้วยเพื่อนำ 3-PGA ไปใช้สร้าง RubP ต่อไปได้

วัฎจักรของกระบวนการหายใจเชิงแสง (ภาพที่ 7) เริ่มจากเอนไซม์ rubisCO เร่งปฏิกิริยาการตรึง O2 ด้วยโมเลกุล RubP เพื่อสร้าง 2-PG จากนั้นเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (hydrolysis) เพื่อเปลี่ยนเป็น glycolate ในคลอโรพลาสต์ แล้ว glycolate จะถูกออกซิไดซ์เป็น glyoxylate และ hydrogen peroxide (H2O2) ในเพอร์ออกซิโซม (peroxisome) ในขณะที่ H2O2 จะถูกสลายโดยการทำงานของเอนไซม์ catalase  สาร glycolate จะรับหมู่อะมิโน (amino) โดยกระบวนการเคลื่อนย้ายหมู่อะมีน (transamination) เพื่อเปลี่ยนเป็นกรดอะมิโน glycine ก่อนจะออกจากเพอร์ออกซิโซม และเข้าสู่ไมโตคอนเดรีย ซึ่ง glycine สองโมเลกุล จะเปลี่ยนเป็นกรดอะมิโน serine และ CO2 (เป็นปฏิกิริยาที่เซลล์สูญเสียธาตุคาร์บอน) จากนั้น serine จะกลับไปสู่เพอร์ออกซิโซม เพื่อเปลี่ยนเป็น glycerate ด้วยปฏิกิริยาการเคลื่อนย้ายหมู่อะมีน ตามด้วยปฏิกิริยารีดักชัน และในที่สุด glycerate จะเคลื่อนย้ายเข้าสู่คลอโรพลาสต์และเข้าสู่ปฏิกิริยา phosphorylation เปลี่ยนเป็น 3-PGA ซึ่งเป็นสารประกอบในวัฎจักรคัลวินต่อไป

 

2.3.3. บทบาทของการหายใจเชิงแสง (photorespiration)

นัก วิทยาศาสตร์เชื่อว่ากระบวนการหายใจเชิงแสง (photorespiration) อาจทำหน้าที่สำคัญในการป้องกันความเสียหายต่อส่วนประกอบของการสังเคราะห์แสง (photosynthetic apparatus) โดยเฉพาะในสภาพที่ใบพืชได้รับแสงมาก แต่มีปริมาณ CO2 เพื่อการสังเคราะห์แสงต่ำ เช่นในกรณีที่ปากใบปิดเพราะพืชขาดน้ำ ทำให้พืชมี CO2 ที่ใช้ในการตรึงน้อยในขณะที่ได้รับแสงมาก การหายใจเชิงแสงจึงเป็นการช่วยให้ ATP และ NADPH ที่อาจสร้างขึ้นมากเกินความต้องการ (จากระบบ photosystem II) ถูกนำไปใช้ได้ (ในกระบวนการหายใจเชิงแสง) จึงสามารถป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากกระบวนการ photoinhibition การศึกษาใน Arabidopsis กลายพันธุ์ที่ไม่มีการหายใจเชิงแสง เนื่องจากขาดเอนไซม์ที่สำคัญบางชนิด พบว่าพืชสามารถเจริญเติบโตได้ดีในสภาพที่มี CO2 ในระดับสูง (2% CO2) แต่จะตายอย่างรวดเร็วเมื่อย้ายออกสู่สภาพอากาศปกติ (ซึ่งมี CO2 เพียง 0.035%) นอกจากนี้ การหายใจเชิงแสงยังมีความสำคัญต่อการตรึงไนโตรเจนในรูปไนเตรทซึ่งเป็น อนินทรีย์สารเพื่อใช้ประโยชน์ในการเจริญเติบโต ดังที่ Arnold (2004) จาก University of California Davis แสดงให้เห็นว่า เมื่อปลูกข้าวสาลีและ Arabidopsis ในสภาพบรรยากาศที่มีปริมาณ CO2 มากกว่าปกติหรือในสภาพบรรยากาศที่มีปริมาณ O2 น้อยกว่าปกติ ซึ่งในทั้งสองสภาพนี้ทำให้พืชมีระดับของการหายใจเชิงแสงน้อยลงแล้ว กระบวนการตรึงไนโตรเจนในรูปไนเตรทของพืชทั้งสองชนิดจะลดน้อยลงด้วย และในที่สุดจะทำให้เกิดอาการขาดธาตุไนโตรเจนและเป็นสาเหตุทำให้การเจริญเติบ โตของพืชลดลง

 

2.3.4. การหายใจเชิงแสงจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้ทุกชนิด

เนื่องจากการทำงานของ RubisCO สามารถเกิดได้ทั้ง 2 แบบ (dual functions) คือเร่งปฏิกิริยา carboxylation และ oxygenation ดังนั้นในสภาวะที่มีออกซิเจน 2-phosphoglycolate (2-PG) อาจถูกสร้างขึ้นได้ทุกเมื่อ สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้จึงต้องการกระบวนการสำหรับเปลี่ยน  2-PG จึงกล่าวได้ว่าการหายใจเชิงแสง (photorespiration) มีความจำเป็นและอาจเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมยีนที่ถอดรหัสเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง กับการเกิดการหายใจเชิงแสงจึงถูกพบในพืชที่มีสีเขียวโดยทั่วไป แต่ก็ได้มีสมมติฐานว่าสำหรับพืชชั้นสูงหรือสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้ บางชนิด ซึ่งมีการพัฒนากลไกสำหรับเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 รอบ ๆ RubisCO ทำให้สามารถยับยั้งการสร้าง 2-PG ได้ อาจไม่ต้องการกระบวนการหายใจเชิงแสง (photorespiration) อย่างสมบูรณ์แบบก็ได้ อย่างไรก็ตามได้มีผลการวิจัยสองชิ้นที่รายงานผลการศึกษาหักล้างสมมุติฐานดัง กล่าว ผลการวิจัยแรกได้แก่รายงานของ Zelitch และคณะ (2008) ซึ่งได้ทดลองแยกข้าวโพดกลายพันธุ์ที่ได้มาโดยวิธีสอดแทรกทรานสโพซอน (transposon integration) ของยีน GO1 ซึ่งถอดรหัสสำหรับเอนไซม์ glycolate oxidase ที่ทำหน้าที่เปลี่ยน glycolate เป็น glyoxylate ในเพอร์ออกซิโซม โดยทางทฤษฎีแล้วข้าวโพดนั้นเป็นพืช C4 ซึ่งจะเกิดการหายใจเชิงแสงได้น้อยเพราะมีกลไกการปั๊ม CO2 ไปยังบริเวณใกล้เคียง RubisCO (ด้วยวัฏจักร C4) ดังนั้นจึงไม่น่าจะได้รับผลกระทบเมื่อเกิดความเสียหายกับระบบการหายใจเชิง แสง แต่จากผลการทดลองพบว่า ข้าวโพดพันธุ์กลายแบบ homozygous ของยีน GO1 ไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ในสภาพอากาศปกติและต้องการปริมาณ CO2 ที่สูงสำหรับการเจริญเติบโต นอกจากนี้ การสะสม glycolate ในต้นและการสังเคราะห์แสงจะถูกยับยั้งโดยออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูงด้วย  จากผลการศึกษาดังกล่าวนี้มีความสอดคล้องกับ ต้นกลายพันธุ์สำหรับการเกิดการหายใจเชิงแสงในพืช C3 ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่ากิจกรรม oxygenation ของ RubisCO แม้จะเกิดในอัตราที่ต่ำในพืช C4 ก็สามารถสร้าง phosphoglycolate (2-PG) ได้และถ้าหากมีการสะสมของ 2-PG ในปริมาณที่มากเพียงพอก็อาจจะเป็นอันตรายต่อเซลล์และสามารถยับยั้งการ สังเคราะห์แสงได้ อย่างไรก็ตาม ยังมีการศึกษาไม่มากนักในเรื่องของพิษที่มีสาเหตุมาจาก 2-PG และสารเมแทบอไลต์ (metabolite) ของการเกิดการหายใจเชิงแสงอื่น ๆ ที่มีต่อการสังเคราะห์แสง ซึ่งดูเหมือนว่าจะมีความสำคัญต่อการยับยั้งการเจริญเติบโตภายใต้สภาพที่มี กิจกรรมของ oxegenation อยู่สูง ซึ่งเป็นผลทำให้สูญเสีย CO2 และ NH4+ ระหว่างขั้นตอนหลังจากการเกิดการหายใจเชิงแสง

 

ในงานวิจัยที่สอง ได้ศึกษาการเกิด photorespiration ของ cyanobacterium Synechocystis ที่กลายพันธุ์ผลการทดลองมีความคล้ายคลึงกับในข้าวโพด โดยทั่วไปการตรึง O2 โดย RubisCO จะต่ำมากใน cyanobacteria เนื่องจากประสิทธิภาพของกลไกการสะสมความเข้มข้นของปริมาณ CO2 ที่ทำงานได้ดี cyanobacteria สามารถจะกำจัด glycolate ส่วนเกินได้  โดยใช้ 3 เส้นทาง (ภาพที่ 8 ด้านล่าง): เส้นทางที่หนึ่ง ได้แก่กระบวนการเมแทบอลิซึมของคาร์บอนที่แบคทีเรียใช้สำหรับเจริญเติบโต เส้นทางที่สองมีความคล้ายคลึงกับวิถีการหายใจทางแสง (photorespiration pathway) ในพืชชั้นสูง และเส้นทางที่สามเกิดจากการออกซิเดชัน ที่สมบูรณ์ของ glycolate เป็น CO2 ถ้ามีการกลายพันธุ์ในวิถีของแต่ละเส้นทางนั้น จะทำให้แบคทีเรียเกิดความอ่อนแอลง ส่วนการยับยั้งทั้งสามเส้นทางสำหรับการเปลี่ยน glycolate มีผลทำให้เกิดการตายขึ้น ได้มีการเสนอแนะว่ากระบวนการหายใจเชิงแสง (photorespiration) อาจจะมีการพัฒนาก่อนการเกิด endosymbiosis ของ cyanobacteria ที่เป็นต้นกำเนิดของการสังเคราะห์แสงเป็นครั้งแรกในยูแคริโอท  และการยับยั้งที่สมบูรณ์ของกลไก phosphoglycolate น่าที่จะทำให้สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้ตายได้ภายใต้สภาพอากาศปกติซึ่ง ไม่ขึ้นกับปริมาณของฟอสโฟไกลโคเลทที่สร้างขึ้น

 

 

ภาพที่ 8 กลไกต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับ phosphoglycolate metabolism ใน Synechocystis.

 

2.3.5 การแสดงออกของยีนในกระบวนการหายใจเชิงแสง

การจำแนกยีนที่ทำงานในกระบวนการหลักของการหายใจเชิงแสง (photorespiration) Arabidopsis (ภาพที่ 9 )ซึ่งเกี่ยวข้องกับวิถีหลักของการหายใจเชิงแสง (core photorespiration pathway) ตารางที่ 1 (ดูที่ด้านล่าง) ในขณะเดียวกันยังมียีนอื่น ๆ อีกมากมายที่ยังไม่ได้มีศึกษา ยีนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจเชิงแสงส่วนใหญ่เป็นสมาชิกย่อยในยีนครอบครัวขนาดเล็ก (small gene families) ที่ประกอบด้วยยีนสมาชิกที่ทำงานหลายหน้าที่ไม่เกี่ยวกับการหายใจเชิงแสง(non-photorespiration)ด้วย การศึกษาการแสดงออกของยีนในเนื้อเยื่อและส่วนต่างๆ ของพืช

 

การศึกษาการแสดงออกของยีนในเนื้อเยื่อและส่วนต่าง ๆ ของพืชด้วยโปรแกรม Genevestigator บ่งชี้ว่ายีนที่เกี่ยวข้องโดยตรงและยีนที่อาจจะเกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจเชิงแสงได้จัดอยู่ในกลุ่มเดียวกับยีนที่เกี่ยวกับการตรึงคาร์บอน 2 ยีน คือ RubisCO (Rbcs) และ phosphoribulokinase (PRK) ที่ใช้เป็น marker genes (ภาพที่ 9 ด้านล่าง) ทั้งนี้ยีนที่ทำการศึกษาสามารถจัดเป็นกลุ่มย่อยได้สองกลุ่มโดยอาศัยรูปแบบการแสดงออกของยีนเป็นตัวจำแนก ยีนในกลุ่มแรกประกอบด้วย marker genes ทั้งสอง (RubisCO และ PRK) และยีนทั้งหมดที่แสดงในตารางที่ 1 (ดูที่ด้านล่าง) (ยกเว้น DIT2.1 และ CAT2) ซึ่งยีนที่อยู่ในกลุ่มนี้จะประกอบด้วยยีนที่จำเป็นสำหรับกระบวนการหายใจเชิงแสงหลายยีนที่ไม่สามารถมียีนอื่นมาทดแทนได้  ยกตัวอย่างเช่น hydroxypyruvate reductase 1 (HPR1), glutamine synthetase (GS2), Glycolate Oxidase (GO) สองยีน ยีนที่ควบคุมการสร้างหน่วยย่อยของ glycine decarboxylase (GDC) ซึ่งประกอบด้วย ยีนสำหรับ GDC P subunit (GDLP1) (ที่ทำงานซ้อนทับกันกับยีน GDLP2 ที่ทั้งเกี่ยวข้องและไม่เกี่ยวข้องกับ photorespiration) การวิเคราะห์การแสดงออกของ transcripts ที่น่าจะเกี่ยวข้องกับโปรตีนที่ทำงานในเพอร์ออกซิโซม บ่งชี้ว่ายีน GO ที่เกี่ยวข้องกับ photorespiration น่าจะมีเพียงยีนเดียว แม้ว่าจากการวิเคราะห์  array probe set ได้ตรวจพบการแสดงออกของ GO ทั้ง 2 ยีน แต่ก็มี GO เพียงยีนเดียวที่ถูกจัดเข้าในหมู่ยีนกลุ่มที่ 1 (ภาพที่ 9 ด้านล่าง) ซึ่ง GO ยีนนี้ใน Arabidopsis มีความเหมือนกันมาก (homology) กับยีน GO ในข้าวโพดที่อยู่ใน photorespiratory glycolate metabolism ในกรณีของ HPR นอกจาก HPR1 ถูกพบอยู่ในกลุ่มที่ 1 กิจกรรมของเอนไซม์นี้ได้ที่ไม่ได้เกิดในเพอร์ออกซิโซมก็มีอยู่ด้วยเช่นกัน เช่น HPR2 ถูกคาดหมายว่าจะสร้างเอนไซม์ที่ทำงานในไซโตพลาสซึม และยีน HPR2 ก็ถูกจัดอยู่ในกลุ่มที่ 2  การศึกษาใน Arabidopsis ได้แสดงให้เห็นว่า HPR ทั้งสอง isoforms นี้จะทำงานร่วมกันในการสังเคราะห์ photorespiratory glycerate  ถึงแม้ว่าหมู่ยีนที่ถูกจัดอยู่ในกลุ่มที่ 2 จะแสดงออกในเนื้อเยื่อที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสง แต่ mRNA ของยีนกลุ่มนี้ยังถูกตรวจพบได้ในเนื้อเยื่อพืชที่ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงด้วยเช่นกัน (ภาพที่ 9)  ยีนในกลุ่มที่ 2 นอกจากมียีนที่รู้หน้าที่ชัดเจนว่าเกี่ยวข้องกับ photorespiration แล้ว ก็ยังประกอบด้วยยีนอีกหลาย ๆ ยีนที่น่าจะมีหน้าที่ในการส่งเสริม (accessory functions) ในกระบวนการ photorespiration ด้วยเหมือนกัน (Maurino et al., 2010)

 

 ภาพที่ 9 รูปแบบการแสดงออกและการจัดกลุ่มยีนย่อยที่มาจาก gene families ที่สร้างเอนไซม์ที่จำเป็นในกระบวนการหายใจเชิงแสง (photorespiration) โดยอาศัยความคล้ายคลึงกันของรูปแบบการแสดงออกของยีนในเนื้อเยื่อและส่วนต่าง ๆ ของพืช Arabidopsis

 

ตารางที่ 1 ยีนที่เกี่ยวข้องกับขบวนการหายใจด้วยแสงและพันธุ์กลายของ Arabidopsis ยีนบางตัวมีความสำคัญมากจนไม่สามารถทดแทนด้วยยีนอื่นได้


Enzyme

At gene name

Gene Indentity

Mutant with photorespiratory phenotype

Carbon recycling

1.Phosphoglycolate phosphatase

PGLP1

At5g36700

Yes

2.Glycolate oxidase

GO

At3g14415

At3g14420

No

No

3.Serine:glyoxylate aminotransferase

SGAT(AGT1)

At2g13360

Yes

4.Glutamate:glyoxylate aminotransferase

GGT1(AOAT1)

GGT2(AOAT1)

At1g23310

At1g70580

No

No

5.Glycine decarboxylase

GDCH1

GDCH2

GLDP1

GLDP2

GDCT

At2g35379

At1g32470

At4g33010

At2g26080

At1g11860

No

No

No

No

No

6.Serine hydroxymethyltransferase

SHM1

At4g37930

Yes

7.Hydroxypyruvate reductase

HPR1

HPR2

At1g68010

At1g79870

No

No

8.Glycerate kinase

GLYK

At1g80380

Yes

Nitrogen recycling

9.Glutamine synthetase

GS2

At5g35630

No

10.Glutamate synthetase(Fd-GOGAT)

GLU1

At5g04140

Yes

11.Chloroplast envelope transporters

DiTl

DiT2.1

DiT2.2

At5g12860

At5g64290

At5g64280

No

Yes

No

H2O2 metabolism

12.Catalase

CAT2

At4g35090

Yes

 

2.3.6. การแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการหายใจเชิงแสง (deleted)

ถึงแม้ว่าหน้าที่สำคัญของการเกิดการหายใจเชิงแสงในพืชคือการตอบสนองต่อสภาพเครียด แต่ยังมีข้อมูลที่ยังจำกัดต่อการศึกษายีนที่เกี่ยวข้องกับการเกิดการหายใจเชิงแสงที่ตอบสนองต่อสภาวะเครียด สามแบบใน Arabidopsis รูปการแสดงออกของยีน (transcriptional profile) ที่วิเคราะห์จากโปรแกรม Genevestigator (Foyer et al. 2009) เกี่ยวกับยีนที่มีต่อการตอบสนองอย่างน่าสนใจต่อสภาพแวดล้อมใน 3 สภาวะเครียด (osmotic stress, light, และ low nitrate)

 สรุปได้ว่ามีหลักฐานความเกี่ยวข้องที่ไม่มากนักเกี่ยวกับการแสดงออกของยีนที่จำเพาะกับการเกิดการหายใจเชิงแสง ภายใต้สภาวะเครียดและและยังไม่มีผลการศึกษาในพืชกลายพันธุ์และ/หรือพืชดัดแปลงพันธุกรรมมากนัก

 

2.3.7. การผสมผสานของ metabolic pool ในกระบวนการ photores piration

การพยายามที่ลดบทบาท (down-regulate) เส้นทางหลักของกระบวนการหายใจเชิงแสง ( photorespiration) ซึ่งเข้าใจกันว่าเส้นทางนี้ไม่มีหน้าที่สำคัญยกเว้นการทำหน้าที่หมุนเวียนคาร์บอนใน glycolate โดยเปลี่ยนกลับไปเป็น glycerate ซึ่งในความจริงเส้นทางหลักของกระบวนการ photorespiration นี้ได้ถูกเสนอขึ้นมาเมื่อหลายปีมาแล้วโดยเกี่ยวข้องกับ metabolic channeling โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในเพอร์ออกซิโซมมี ตัวขนส่ง (transporters) ที่ใช้ในการลำเลียงซึ่งส่งผ่านไปยังช่องทางต่าง ๆ ผ่านการแลกเปลี่ยนแบบ stoichiometric ของ metabolites อย่างเช่น glycolate และ glycerate เป็นต้น ซี่งกระบวนการนี้ได้ถูกศึกษาแล้วในระดับชีวเคมี อย่างไรก็ตามเฉพาะตัวขนส่ง (transporters) ซึ่งได้แก่ chloroplast translocators ที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยน glutamate/2-oxoglutarate เท่านั้นที่ได้ถูกศึกษาในระดับพันธุศาสตร์และระดับโมเลกุลแล้ว

 

 

Share