中國科學院(yuan)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(guang)(guang)合(he)作(zuo)用利(li)用太陽光(guang)(guang)能固(gu)定(ding)二氧(yang)化碳合(he)成糖類有機物，而呼吸(xi)作(zuo)用（有氧(yang)呼吸(xi)和(he)厭氧(yang)呼吸(xi)（發(fa)酵））則分(fen)(fen)解(jie)糖，為細(xi)胞活動(dong)提供能量(liang)。在模(mo)式生物萊茵衣藻中，光(guang)(guang)合(he)作(zuo)用和(he)有氧(yang)呼吸(xi)分(fen)(fen)別(bie)發(fa)生在葉綠體和(he)線(xian)粒體中，無(wu)氧(yang)發(fa)酵則可以獨立發(fa)生在細(xi)胞質、線(xian)粒體和(he)葉綠體中。這三種基本的能量(liang)代謝過程如何和(he)諧有序(xu)地(di)發(fa)生在同一個(ge)細(xi)胞內是(shi)一個(ge)值得(de)深度思(si)考的科學問題。目前，圍(wei)繞三者間相互作(zuo)用的研究(jiu)匱乏，功(gong)能耦合(he)機制尚不清晰。
近期，國(guo)際知名(ming)學術期刊(kan)Nature Communications上發表(biao)中國科(ke)學院植物(wu)研究所(suo)光生物(wu)學重(zhong)點實驗室田(tian)利(li)金研究員課題組的最新研究成(cheng)果“”，揭示(shi)了無氧(yang)發酵代謝物抑制(zhi)光合作(zuo)用和有(you)氧(yang)呼(hu)吸的(de)新機制(zhi)。
此前(qian)研究表明(ming)，光合生物在黑暗處理下會逐漸積累質(zhi)子，導致葉(xie)綠體(ti)類(lei)囊體(ti)腔酸(suan)化(hua)，進(jin)而抑制(zhi)光合作用，這可能(neng)與葉(xie)綠體(ti)呼吸或ATP水解有關。中國科學院植物研究所田利金研究員(yuan)課題(ti)組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，研究人員(yuan)提出了“離子(zi)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(zao)無氧發(fa)酵代謝途徑(jing)以(yi)及“離(li)子陷阱(jing)”工作(zuo)模型
該(gai)研究(jiu)闡釋了光合(he)(he)(he)生(sheng)物(wu)中無氧(yang)發(fa)酵影響(xiang)光合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)和(he)呼吸作用(yong)(yong)的(de)新機(ji)制，對于探索光合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)、有氧(yang)呼吸和(he)無氧(yang)呼吸之間的(de)化學偶聯，理(li)解光合(he)(he)(he)生(sheng)物(wu)基本生(sheng)理(li)過程及優化植物(wu)生(sheng)長和(he)固碳能力具有重(zhong)要意義。
在本研究(jiu)中，在厭氧/有氧條件下微藻和擬南(nan)芥的葉綠(lv)素(su)熒光測量(liang)使用雙通道(dao)葉綠(lv)素(su)熒光儀(yi)Dual-PAM-100和葉綠素熒光成像系統IMAGING-PAM完成。使用光纖式(shi)氧氣(qi)測量儀FireSting-O2來監測和記錄了溶液(ye)中的(de)氧濃度的(de)變化。用來反映類囊體腔酸化產生跨膜質(zhi)子梯度和質(zhi)子通過(guo)ATP合(he)酶釋放的電致變色(ECS)則是使用雙通道(dao)葉綠素(su)熒光儀(yi)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。
除此之外，Dual-PAM-100在環式電子傳(chuan)遞測量(CEF)，模擬(ni)波動(dong)光(Fluctuating Light)，測量(liang)狀態(tai)轉換(huan)(State Transitions)，監測光合控制(Photosynthesis Control)，葉(xie)綠體運動(Chloroplast Movement)方面也積累了大量的(de)應(ying)用，類似的(de)測量均可(ke)通過定制(zhi)Script(腳本)和(he)Trigger功能來實現，如(ru)果您有這方面的技術需求(qiu)，可(ke)以隨時聯系我們。
—— 參考文獻(xian) ——
Pang, X., Nawrocki, W.J., Cardol, P. et al. . Nature Communications, 14, 4207 (2023).
電話：
郵箱：
相關閱讀：