中國(guó)科學(xué)院植物研究所(IB-CAS)光生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)制。
光合作用利用太陽(yáng)光能固定二氧化碳合成糖類(lèi)有機(jī)物，而呼吸作用（有氧呼吸和厭氧呼吸（發(fā)酵））則分解糖，為細(xì)胞活動(dòng)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(xiàn)粒體中，無(wú)氧發(fā)酵則可以獨(dú)立發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)、線(xiàn)粒體和葉綠體中。這三種基本的能量代謝過(guò)程如何和諧有序地發(fā)生在同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)是一個(gè)值得深度思考的科學(xué)問(wèn)題。目前，圍繞三者間相互作用的研究匱乏，功能耦合機(jī)制尚不清晰。
近期，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上發(fā)表中國(guó)科學(xué)院植物研究所光生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wú)氧發(fā)酵代謝物抑制光合作用和有氧呼吸的新機(jī)制。
此前研究表明，光合生物在黑暗處理下會(huì)逐漸積累質(zhì)子，導(dǎo)致葉綠體類(lèi)囊體腔酸化，進(jìn)而抑制光合作用，這可能與葉綠體呼吸或ATP水解有關(guān)。中國(guó)科學(xué)院植物研究所田利金研究員課題組基于前期對(duì)于類(lèi)囊體腔酸化的研究，推測(cè)可能是在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的弱酸抑制了光合作用。為了驗(yàn)證這一猜想，研究人員綜合運(yùn)用生物、物理和化學(xué)方法，首先通過(guò)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(xiàn)可以致其類(lèi)囊體腔酸化，分別排除了黑暗中類(lèi)囊體腔的酸化是由葉綠體呼吸和ATP水解導(dǎo)致的論斷。同時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)類(lèi)囊體腔內(nèi)的酸化程度與無(wú)氧代謝弱酸的總積累量成正相關(guān)，而在同等處理?xiàng)l件下，利用發(fā)酵代謝過(guò)程中不產(chǎn)弱酸的綠藻NIES-2499開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)酸化的現(xiàn)象。這表明，發(fā)酵產(chǎn)生的弱酸代謝物是使類(lèi)囊體腔發(fā)生酸化的誘因，科研人員還證明這種代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制存在于不同種類(lèi)的光合生物中。同時(shí)根據(jù)膜對(duì)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(wú)氧發(fā)酵產(chǎn)生的弱酸分子能夠跨越脂質(zhì)雙分子層，最終進(jìn)入類(lèi)囊體腔，但電離出的離子不能自由跨膜，類(lèi)囊體腔內(nèi)的pH緩沖能力較低，腔內(nèi)質(zhì)子不斷積累，從而發(fā)生酸化。
萊茵衣藻無(wú)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(wú)氧發(fā)酵影響光合作用和呼吸作用的新機(jī)制，對(duì)于探索光合作用、有氧呼吸和無(wú)氧呼吸之間的化學(xué)偶聯(lián)，理解光合生物基本生理過(guò)程及優(yōu)化植物生長(zhǎng)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?zé)晒鉁y(cè)量使用雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDual-PAM-100和葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)IMAGING-PAM完成。使用光纖式氧氣測(cè)量?jī)xFireSting-O2來(lái)監(jiān)測(cè)和記錄了溶液中的氧濃度的變化。用來(lái)反映類(lèi)囊體腔酸化產(chǎn)生跨膜質(zhì)子梯度和質(zhì)子通過(guò)ATP合酶釋放的電致變色(ECS)則是使用雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDual-PAM-100的P515/535模塊來(lái)完成。
另外，通過(guò)查看文章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片不難發(fā)現(xiàn)，該篇文章進(jìn)行了大量復(fù)雜而繁瑣的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證各種不同處理，不同突變體的生理代謝過(guò)程差異。葉綠素?zé)晒獾臏y(cè)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(wù)于類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)于需要中途添加處理試劑或藥品的實(shí)驗(yàn)，Dual-PAM-100懸浮樣品光學(xué)單元的遮光帽預(yù)留了注射器針頭插孔，可以在不改變光環(huán)境的連續(xù)測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行樣品處理，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)處理后的樣品生理活性，葉綠素?zé)晒庾兓?/strong>。
除此之外，Dual-PAM-100在環(huán)式電子傳遞測(cè)量(CEF)，模擬波動(dòng)光(Fluctuating Light)，測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)換(State Transitions)，監(jiān)測(cè)光合控制(Photosynthesis Control)，葉綠體運(yùn)動(dòng)(Chloroplast Movement)方面也積累了大量的應(yīng)用，類(lèi)似的測(cè)量均可通過(guò)定制Script(腳本)和Trigger功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果您有這方面的技術(shù)需求，可以隨時(shí)聯(lián)系我們。
—— 參考文獻(xiàn) ——
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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