TUhjnbcbe - 2021/7/20 19:08:00
年6月26日，NatureCommunications杂志在线发表了来自香港大学林文量课题组题为“InplantastudyofphotosynthesisandphotorespirationusingNADPHandNADH/NAD+fluorescentproteinsensors”的研究文章。该研究通过将两种新颖的传感器导入拟南芥，用于测量植物中NADPH水平和NADH/NAD+比率的动态变化，同时结合该课题之前发表的ATP传感器可以实时监测活体植物亚细胞层面的能量变化，重新审视了光合作用的两个关键问题.年，著名植物科学家兼《植物生物化学》教科书作者H.WHeldt教授，通过放射性定量方法证明了ATP可自由地跨过成熟的叶绿体膜。他的结果被引用超过次。从那时起，人们相信叶绿体可以从细胞质中直接导入ATP，以帮助光合碳固定并在晚上为叶绿体提供能量。半个世纪后，香港大学林文量课题组将荧光ATP传感器引入到拟南芥的细胞质和叶绿体中以进一步研究这个问题(图一)。“我们发现幼苗中的叶绿体和细胞质中的ATP浓度相近。但是，当幼苗长大时，叶绿体中的ATP浓度会明显下降，而细胞质中的ATP浓度远高于叶绿体中ATP的浓度，鉴于Heldt教授已证明ATP可以自由穿过叶绿体膜，我们的观察结果令人惊讶。这引起了一个问题，即为什么当叶绿体成熟时，叶绿体中的ATP会下降？”，林文量说道。图一.三天大在质体表达ATP传感器的拟南芥幼苗为了验证叶绿体是否可以导入ATP，林文量课题组从不同生长阶段的植物中分离了含有ATP传感器的叶绿体。温家宝博士说：“我们发现，只有从幼苗中而非成熟植物中分离出的叶绿体，能够吸收外源ATP。”这一发现与年Heldt和年Huber报道的结果相矛盾，在这两篇报道中，他们应用了放射性定量方法，表明外源ATP能够进入到从菠菜和馬唐(Digitariasanguinalis)中分离出的成熟叶绿体中。林文量课题组的结果显然与半个世纪前的这两篇报道不符。通过仔细阅读他们的文章，林文量找到了导致结果矛盾的原因。“我发现他们的数据实际上表明成熟的叶绿体不能导入外源ATP。他们使用放射性ATP测量ATP进入叶绿体的输入能力。首先，将分离的成熟叶绿体与放射性ATP共浴。之后，使用非放射性ATP来交换已“导入”到叶绿体中的放射性ATP。最后，他们去除叶绿体并测量交换缓冲液中的放射性ATP。由于非放射性ATP的“交换效率”高于GTP/CTP/TTP，因此他们得出结论，ATP能够自由进出叶绿体。但是，在4年，一个德国的研究小组在叶绿体膜上发现了两个ATP转运蛋白，它们以相反的方向互相交换ADP与ATP。在Heldt的实验中，其实还应用了非放射性ADP。有趣的是，与ATP相比，非放射性ADP的交换效率仅为12％。这是不合理的，如果放射性ATP真的己经进入叶绿体的话，外源ADP应该比外源ATP更易与叶绿体内的放射性ATP交换。我相信事实是，放射性ATP并没有进入叶绿体，而是粘附在叶绿体表面。因此，交换缓冲液中的放射性是由于附着在叶绿体表面的放射性ATP被洗脱下来，而不是叶绿体中放射性ATP的交换引起的，”林文量解释说，“此外，4年德国的文章显示，ATP转运蛋白仅在幼苗而非成熟的叶片中表达，这与我们的发现一致。”那么基于这些发现，植物限制成熟叶绿体输入细胞质ATP对植物生长究竟有什么益处？“我们尝试在成熟的植物细胞中表达ATP转运蛋白，最终发现细胞质ATP会被叶绿体耗尽。这一发现解释了为什么ATP转运蛋白仅存在于幼苗中。因为在发育的早期阶段，未成熟的叶绿体需要吸收外源的ATP来进行生物合成(图二A).。当叶绿体充分发育并能够自我维持时，需通过下调ATP转运蛋白的表达，来保证白天通过光合作用产生的能量不会在晚上被叶绿体消耗尽”，林文量回答道。图2.图二.叶绿体生物能叁种不同景况如果叶绿体不主动吸收ATP，叶绿体在夜间如何获得能量？“我们认为叶绿体可以通过分解代谢白天累积的淀粉来获得ATP(图二C).”,林文量说，“这将为夜间代谢提供最低水平的ATP”。以上发现发表于年《美国国家科学院院刊》和年《国家科学评论》上。可是光合能量学另一问题─线粒体在光合作用时究竟使用哪个来源的NADH去製造ATP，却一直未有肯定答案。有些学者认为，在光合作用过程中，由叶绿体生产多馀的NADPH还原力，会以苹果酸的形式从叶绿体输出到细胞质之中，再透过线粒体膜苹果酸-草酰乙酸酯(OAA)转运体输入线粒体，经合成转化NADH予线粒体製造ATP。亦有其他学者认为，在C3拟南芥的光合作用过程中，光呼吸能生产大量NADH予线粒体作生产ATP之用，而多馀的NADH所带有的还原力，以苹果酸的形式通过苹果酸-草酰乙酸酯转运体，从线粒体输出到细胞质之中。由於学术界对光合作用过程中线粒体NADH来源的可能性有两个说法，而当中提出的线粒体膜苹果酸-草酰乙酸酯转运体的运转方向又是相反的，因此这个问题在科学界一直没有共识。为了硏究这问题，林文量研究团队将两种新颖的传感器导入拟南芥，用於实时测量光照後植物细胞不同亚细胞空间的NADPH水平以及NADH/NAD+比率的动态变化。以往检测的方法，必须把植物冷冻，再把NADPH等能量分子分离，用化学方法检测。旧的方法有几个弱点：既不能在活细胞进行检测及实时检测，亦不能检测植物内不同细胞以及不同亚细胞空间各自的能量分子水平。「我们的新方法把以上问题都解决了，令人十分鼓舞！通过新方法，我们发现光合作用期间，光呼吸会向线粒体提供大量的NADH，超过了线粒体消散NADH作生产ATP能力。因此，多馀的NADH必须通过线粒体的苹果酸-草酰乙酸酯转运体从线粒体输出苹果酸到细胞质中，继而会在细胞中累积（见图叁），印證了上述第二个说法。」《自然通讯》论文第一作者、博士生林雪莉道。「解答了这问题让我们更能了解叶绿体和线粒体在光合作用过程中的能量输送，有助将来提高植物光合作用的效率。」图叁.光合作用时苹果酸在叶肉细胞的生成和流动林文量补充说：“我们是第一个在植物中引入这三种(ATP,NADPH,NADH/NAD+)新型能量传感器的课题组。我希望它们在植物生物能学的研究中得到广泛应用。现在，我们正在利用它们与合作者一起研究保卫细胞，花粉管生长和C4植物的生物能学。希望我们的发现最终可以帮助人类提高农业产量。”原文链接: