中国科学院植物研究所(IB-CAS)光生物学重点实验室田利金研究员课题组最新研究成果揭示了厌氧呼吸代谢物抑制光合作用和有氧呼吸的新机制。
光合作用利用太阳光能固定二氧化碳合成糖类有机物，而呼吸作用（有氧呼吸和厌氧呼吸（发酵））则分解糖，为细胞活动提供能量。在模式生物莱茵衣藻中，光合作用和有氧呼吸分别发生在叶绿体和线粒体中，无氧发酵则可以独立发生在细胞质、线粒体和叶绿体中。这三种基本的能量代谢过程如何和谐有序地发生在同一个细胞内是一个值得深度思考的科学问题。目前，围绕三者间相互作用的研究匮乏，功能耦合机制尚不清晰。
近期，国际知名学术期刊Nature Communications上发表中国科学院植物研究所光生物学重点实验室田利金研究员课题组的最新研究成果“Weak acids produced during anaerobic respiration suppress both photosynthesis and aerobic respiration”，揭示了无氧发酵代谢物抑制光合作用和有氧呼吸的新机制。
此前研究表明，光合生物在黑暗处理下会逐渐积累质子，导致叶绿体类囊体腔酸化，进而抑制光合作用，这可能与叶绿体呼吸或ATP水解有关。中国科学院植物研究所田利金研究员课题组基于前期对于类囊体腔酸化的研究，推测可能是在发酵过程中产生的弱酸抑制了光合作用。为了验证这一猜想，研究人员综合运用生物、物理和化学方法，首先通过使用叶绿体呼吸突变体ptox2、nda2和ATP水解突变体FUD50，黑暗条件下添加弱酸发现可以致其类囊体腔酸化，分别排除了黑暗中类囊体腔的酸化是由叶绿体呼吸和ATP水解导致的论断。同时研究人员发现类囊体腔内的酸化程度与无氧代谢弱酸的总积累量成正相关，而在同等处理条件下，利用发酵代谢过程中不产弱酸的绿藻NIES-2499开展实验，没有发现酸化的现象。这表明，发酵产生的弱酸代谢物是使类囊体腔发生酸化的诱因，科研人员还证明这种代谢产物的反馈调节机制存在于不同种类的光合生物中。同时根据膜对小分子的半透性特性，研究人员提出了“离子陷阱”模型，即外源添加或无氧发酵产生的弱酸分子能够跨越脂质双分子层，最终进入类囊体腔，但电离出的离子不能自由跨膜，类囊体腔内的pH缓冲能力较低，腔内质子不断积累，从而发生酸化。
莱茵衣藻无氧发酵代谢途径以及“离子陷阱”工作模型
该研究阐释了光合生物中无氧发酵影响光合作用和呼吸作用的新机制，对于探索光合作用、有氧呼吸和无氧呼吸之间的化学偶联，理解光合生物基本生理过程及优化植物生长和固碳能力具有重要意义。
在本研究中，在厌氧/有氧条件下微藻和拟南芥的叶绿素荧光测量使用双通道叶绿素荧光仪Dual-PAM-100和叶绿素荧光成像系统IMAGING-PAM完成。使用光纤式氧气测量仪FireSting-O2来监测和记录了溶液中的氧浓度的变化。用来反映类囊体腔酸化产生跨膜质子梯度和质子通过ATP合酶释放的电致变色(ECS)则是使用双通道叶绿素荧光仪Dual-PAM-100的P515/535模块来完成。
另外，通过查看文章的实验结果图片不难发现，该篇文章进行了大量复杂而繁琐的测量来验证各种不同处理，不同突变体的生理代谢过程差异。叶绿素荧光的测量从几分钟到十几分钟，从20分钟到200分钟。Dual-PAM-100的脚本和Trigger功能可以很好地服务于类似的实验设计。对于需要中途添加处理试剂或药品的实验，Dual-PAM-100悬浮样品光学单元的遮光帽预留了注射器针头插孔，可以在不改变光环境的连续测量过程中进行样品处理，动态监测处理后的样品生理活性，叶绿素荧光变化。
除此之外，Dual-PAM-100在环式电子传递测量(CEF)，模拟波动光(Fluctuating Light)，测量状态转换(State Transitions)，监测光合控制(Photosynthesis Control)，叶绿体运动(Chloroplast Movement)方面也积累了大量的应用，类似的测量均可通过定制Script(脚本)和Trigger功能来实现，如果您有这方面的技术需求，可以随时联系我们。
—— 参考文献 ——
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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