中國科學院植物研究所(IB-CAS)光生物學重點實驗室田利金研究員課題組最新研究成果揭示了厭氧呼吸代謝物抑制光合作用和有氧呼吸的新機制。
光合作用利用太陽光能固定二氧化碳合成糖類有機物，而呼吸作用（有氧呼吸和厭氧呼吸（發(fā)酵））則分解糖，為細胞活動提供能量。在模式生物萊茵衣藻中，光合作用和有氧呼吸分別發(fā)生在葉綠體和線粒體中，無氧發(fā)酵則可以獨立發(fā)生在細胞質、線粒體和葉綠體中。這三種基本的能量代謝過程如何和諧有序地發(fā)生在同一個細胞內是一個值得深度思考的科學問題。目前，圍繞三者間相互作用的研究匱乏，功能耦合機制尚不清晰。
近期，國際知名學術期刊Nature Communications上發(fā)表中國科學院植物研究所光生物學重點實驗室田利金研究員課題組的最新研究成果“Weak acids produced during anaerobic respiration suppress both photosynthesis and aerobic respiration”，揭示了無氧發(fā)酵代謝物抑制光合作用和有氧呼吸的新機制。
此前研究表明，光合生物在黑暗處理下會逐漸積累質子，導致葉綠體類囊體腔酸化，進而抑制光合作用，這可能與葉綠體呼吸或ATP水解有關。中國科學院植物研究所田利金研究員課題組基于前期對于類囊體腔酸化的研究，推測可能是在發(fā)酵過程中產生的弱酸抑制了光合作用。為了驗證這一猜想，研究人員綜合運用生物、物理和化學方法，首先通過使用葉綠體呼吸突變體ptox2、nda2和ATP水解突變體FUD50，黑暗條件下添加弱酸發(fā)現可以致其類囊體腔酸化，分別排除了黑暗中類囊體腔的酸化是由葉綠體呼吸和ATP水解導致的論斷。同時研究人員發(fā)現類囊體腔內的酸化程度與無氧代謝弱酸的總積累量成正相關，而在同等處理條件下，利用發(fā)酵代謝過程中不產弱酸的綠藻NIES-2499開展實驗，沒有發(fā)現酸化的現象。這表明，發(fā)酵產生的弱酸代謝物是使類囊體腔發(fā)生酸化的誘因，科研人員還證明這種代謝產物的反饋調節(jié)機制存在于不同種類的光合生物中。同時根據膜對小分子的半透性特性，研究人員提出了“離子陷阱”模型，即外源添加或無氧發(fā)酵產生的弱酸分子能夠跨越脂質雙分子層，最終進入類囊體腔，但電離出的離子不能自由跨膜，類囊體腔內的pH緩沖能力較低，腔內質子不斷積累，從而發(fā)生酸化。
萊茵衣藻無氧發(fā)酵代謝途徑以及“離子陷阱”工作模型
該研究闡釋了光合生物中無氧發(fā)酵影響光合作用和呼吸作用的新機制，對于探索光合作用、有氧呼吸和無氧呼吸之間的化學偶聯，理解光合生物基本生理過程及優(yōu)化植物生長和固碳能力具有重要意義。
在本研究中，在厭氧/有氧條件下微藻和擬南芥的葉綠素熒光測量使用雙通道葉綠素熒光儀Dual-PAM-100和葉綠素熒光成像系統IMAGING-PAM完成。使用光纖式氧氣測量儀FireSting-O2來監(jiān)測和記錄了溶液中的氧濃度的變化。用來反映類囊體腔酸化產生跨膜質子梯度和質子通過ATP合酶釋放的電致變色(ECS)則是使用雙通道葉綠素熒光儀Dual-PAM-100的P515/535模塊來完成。
另外，通過查看文章的實驗結果圖片不難發(fā)現，該篇文章進行了大量復雜而繁瑣的測量來驗證各種不同處理，不同突變體的生理代謝過程差異。葉綠素熒光的測量從幾分鐘到十幾分鐘，從20分鐘到200分鐘。Dual-PAM-100的腳本和Trigger功能可以很好地服務于類似的實驗設計。對于需要中途添加處理試劑或藥品的實驗，Dual-PAM-100懸浮樣品光學單元的遮光帽預留了注射器針頭插孔，可以在不改變光環(huán)境的連續(xù)測量過程中進行樣品處理，動態(tài)監(jiān)測處理后的樣品生理活性，葉綠素熒光變化。
除此之外，Dual-PAM-100在環(huán)式電子傳遞測量(CEF)，模擬波動光(Fluctuating Light)，測量狀態(tài)轉換(State Transitions)，監(jiān)測光合控制(Photosynthesis Control)，葉綠體運動(Chloroplast Movement)方面也積累了大量的應用，類似的測量均可通過定制Script(腳本)和Trigger功能來實現，如果您有這方面的技術需求，可以隨時聯系我們。
—— 參考文獻 ——
Pang, X., Nawrocki, W.J., Cardol, P. et al. Weak acids produced during anaerobic respiration suppress both photosynthesis and aerobic respiration[J]. Nature Communications, 14, 4207 (2023).
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