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(gè)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(jì)。這種發(fā)育轉(zhuǎn)化對(duì)于限制夜間光合作用不起作用時(shí)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(duì)ATP的需求也很高。光照會(huì)立即增加葉綠體中的ATP濃度，但光照停止后很快就會(huì)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(fèi)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(duì)整個(gè)植物進(jìn)行實(shí)時(shí)成像提供了空間和時(shí)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(duì)于理解植物細(xì)胞中的能量流動(dòng)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(dòng)力。為了將一個(gè)CO2分子固定在葉綠體中，消耗了三個(gè)ATP和兩個(gè)NADPH分子。然而，LEF每2個(gè)NADPH只能產(chǎn)生2.57個(gè)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(duì)細(xì)胞如何工作的理解。我對(duì)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(xiàng)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(dòng)態(tài)調(diào)整的。
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