地球上所有的生命最終都依賴于太陽的能量，光合作用是至關(guān)重要的一環(huán)。光合作用產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)，三磷酸腺苷是生物體中普遍存在的分子燃料。一個國際研究小組開發(fā)了一種方法來可視化活植物中的三磷酸腺苷，并觀察到成熟植物的葉綠體在很大程度上與其他細(xì)胞空間隔離開來，以管理它們的三磷酸腺苷。結(jié)果確定了植物有效利用能源的策略，為今后的作物育種提供了信息。
他們的觀察表明，只有非常年輕的擬南芥葉片中的葉綠體才能從細(xì)胞質(zhì)中導(dǎo)入ATP來支持葉綠體的發(fā)育，而ATP進(jìn)入成熟葉綠體來支持CO2固定的速率可以忽略不計。這種發(fā)育轉(zhuǎn)化對于限制夜間光合作用不起作用時無用的三磷酸腺苷消耗可能很重要。
“我們發(fā)現(xiàn)葉綠體中的ATP濃度明顯低于成熟的光合細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的ATP濃度，”第一作者、大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院的李文林博士說?！半m然葉綠體是植物細(xì)胞中關(guān)鍵的能量收集器和生產(chǎn)者，但它對ATP的需求也很高。光照會立即增加葉綠體中的ATP濃度，但光照停止后很快就會降到基本水平。我們的結(jié)果表明，在黑暗中限制成熟葉綠體中的ATP消耗是必要的。成熟葉肉葉綠體的主要工作是收獲能量和輸出糖分，以支持植物在光照下的生長。然而，必須避免在黑暗中浪費能源。美國國家科學(xué)院院刊。
合著者、德克薩斯AM大學(xué)的Wayne K. Versaw博士和Abira Sahu博士說：“對整個植物進(jìn)行實時成像提供了空間和時間分辨率，并揭示了不同細(xì)胞區(qū)室如何合作來管理光合作用和整體細(xì)胞能量的重要變化?！?
這些結(jié)果對于理解植物細(xì)胞中的能量流動也具有重要意義。利用從陽光中收集的能量，水分子分裂成質(zhì)子、氧和電子。通過電子系統(tǒng)將NADP還原為NADPH。隨著水的分裂，這種所謂的線性電子流(LEF)也在類囊體膜上產(chǎn)生pH梯度，這是ATP合成的驅(qū)動力。為了將一個CO2分子固定在葉綠體中，消耗了三個ATP和兩個NADPH分子。然而，LEF每2個NADPH只能產(chǎn)生2.57個ATP分子。為了使光合作用有效地工作，必須解決三磷酸腺苷的短缺。2015年發(fā)表在《自然》雜志上的一篇文章(524: 366-369)顯示，單細(xì)胞硅藻中的葉綠體可以引入胞質(zhì)溶膠ATP來支持固碳。
作為博士生加入實驗室的Chiapao Voon說：“與單細(xì)胞硅藻不同，成熟的植物葉綠體不能從細(xì)胞質(zhì)中導(dǎo)入ATP來補(bǔ)充固定CO2的需求。相反，減少當(dāng)量輸出是保持光合作用所需的最佳ATP/NADPH比值的關(guān)鍵。否則，葉綠體中NADPH的積累會阻礙光合作用?！?
“利用不同細(xì)胞區(qū)室之間的空間分辨率研究活細(xì)胞代謝的能力是向前邁出的一大步，將顯著增加我們對細(xì)胞如何工作的理解。我對線粒體的貢獻(xiàn)特別感興趣。光合作用代表”合作者烏默奧大學(xué)的佩爾加德斯特羅姆教授說。
合著者、明斯特大學(xué)的markusschwarzlnder教授補(bǔ)充道：“這項研究使我們更接近于理解細(xì)胞如何優(yōu)化細(xì)胞在不同細(xì)胞器中的操作條件。我發(fā)現(xiàn)如何保持植物能量代謝的效率，以及如何保持它特別有趣，這似乎是動態(tài)調(diào)整的。
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