中(zhong)國科(ke)學(xue)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(he)(he)作(zuo)用(yong)利用(yong)太陽光能(neng)固定(ding)二氧化碳合(he)(he)成糖類有機物(wu)，而(er)呼(hu)吸作(zuo)用(yong)（有氧呼(hu)吸和厭氧呼(hu)吸（發酵(jiao)））則分(fen)解糖，為細(xi)胞活動(dong)提供能(neng)量(liang)。在(zai)模式生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)萊(lai)茵衣藻中(zhong)，光合(he)(he)作(zuo)用(yong)和有氧呼(hu)吸分(fen)別發生(sheng)(sheng)(sheng)在(zai)葉綠體(ti)和線(xian)粒體(ti)中(zhong)，無氧發酵(jiao)則可以(yi)獨立發生(sheng)(sheng)(sheng)在(zai)細(xi)胞質、線(xian)粒體(ti)和葉綠體(ti)中(zhong)。這三(san)種基本的能(neng)量(liang)代謝(xie)過程如何和諧(xie)有序地發生(sheng)(sheng)(sheng)在(zai)同一(yi)個細(xi)胞內是一(yi)個值(zhi)得深度思考的科學問題(ti)。目前，圍繞(rao)三(san)者間相(xiang)互作(zuo)用(yong)的研究(jiu)匱乏，功能(neng)耦合(he)(he)機制尚不清晰(xi)。
近期，國(guo)際(ji)知名學術期刊Nature Communications上發表中(zhong)國(guo)科(ke)學院(yuan)植物研(yan)究(jiu)所(suo)光生物學重點實驗(yan)室田利金研(yan)究(jiu)員課題組的最新研(yan)究(jiu)成果(guo)“Weak acids produced during anaerobic respiration suppress both photosynthesis and aerobic respiration”，揭示了(le)無氧發酵(jiao)代謝物抑(yi)制光合(he)作用和有氧呼吸的新機制。
此前研究表明(ming)，光(guang)(guang)合生物在黑暗處(chu)理下會逐漸積累質子，導(dao)致(zhi)葉(xie)綠體類囊(nang)體腔酸化，進而抑(yi)制光(guang)(guang)合作用，這可(ke)能(neng)與葉(xie)綠體呼(hu)吸或ATP水解有關。中國科學院植物研究所田利金研(yan)究員課題(ti)組(zu)基于前期對于類囊體腔酸化的研究，推測可能是在發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(jie)突變體FUD50，黑暗條件下添加弱酸發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，利用發酵代謝過程中不產弱酸的綠藻NIES-2499開展實驗，沒有發現酸化的現象。這表明，發酵產生的弱酸代謝物是使類囊體腔發生酸化的誘因，科研人員還證明這種代謝產物的反饋調節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(yan)究人員提出了(le)“離子陷阱”模型，即外源添加或無氧發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，從而發生酸化。 ;
萊茵衣藻無氧(yang)發酵代謝(xie)途徑以及“離子陷阱(jing)”工作模型
該研究闡(chan)釋了光合生(sheng)物中無氧(yang)發酵(jiao)影(ying)響光合作(zuo)(zuo)用和呼吸(xi)作(zuo)(zuo)用的新機制(zhi)，對于探(tan)索光合作(zuo)(zuo)用、有氧(yang)呼吸(xi)和無氧(yang)呼吸(xi)之間的化(hua)學偶聯，理解光合生(sheng)物基本生(sheng)理過(guo)程及優化(hua)植物生(sheng)長和固碳能力(li)具(ju)有重要意(yi)義。
在(zai)本研究中(zhong)，在(zai)厭氧/有(you)氧條件下微藻和擬南芥的(de)葉綠(lv)素熒光測量使用(yong)雙通道葉綠(lv)素熒光儀Dual-PAM-100和葉綠(lv)素(su)熒光成(cheng)像(xiang)系(xi)統IMAGING-PAM完成。使用光纖式氧氣(qi)測量儀FireSting-O2來監測和記錄(lu)了(le)溶液中(zhong)的(de)氧濃(nong)度的(de)變化。用(yong)來反映類囊(nang)體腔酸(suan)化產生跨(kua)膜質(zhi)子(zi)梯度和質(zhi)子(zi)通過ATP合酶(mei)釋(shi)放(fang)的電致變(bian)色(ECS)則是(shi)使用雙(shuang)通道葉綠素熒光儀Dual-PAM-100的P515/535模塊來(lai)完成(cheng)。
另外，通過查看文章的實驗結果圖片不難發現，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，可以在不改變光環境的連續測量過程中進行樣品處理，動態監測處理后的樣品生理活性，葉綠素熒光變化。
除此(ci)之外，Dual-PAM-100在(zai)環式電子(zi)傳遞測量(CEF)，模擬波動光(Fluctuating Light)，測量狀態轉換(State Transitions)，監(jian)測光合控(kong)制(zhi)(Photosynthesis Control)，葉綠體(ti)運動(Chloroplast Movement)方面也積累了大量的(de)應用，類(lei)似的(de)測量均可通過定制Script(腳本)和Trigger功(gong)能來實現，如果您有這方(fang)面的技術需求，可以隨時聯系我們(men)。
—— 參(can)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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