無氧發酵代謝物抑制光合作用和有氧呼吸的新機制

　　在模式生物萊茵衣藻中，光合作用和有氧呼吸分別發生在葉綠體和線粒體中，無氧發酵則可以獨立發生在細胞質、線粒體和葉綠體中。這三種基本的能量代謝過程如何和諧有序的發生在同一個細胞內是值得深度思考的科學問題。目前，圍繞三者間相互作用的研究相對匱乏，功能耦合機制尚不清晰。

　　此前研究表明，光合生物在黑暗處理下會逐漸積累質子，導致葉綠體類囊體腔酸化，進而抑制光合作用，這可能與葉綠體呼吸或ATP水解有關。中國科學院植物研究所田利金研究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，研究綜合運用生物、物理和化學方法，通過使用葉綠體呼吸突變體ptox2、nda2和ATP水解突變體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開展實驗則未發現酸化的現象。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。研究還證明了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。進一步，根據膜對小分子的半透性特性，研究提出了“離子陷阱”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。

　　該研究闡釋了光合生物中無氧發酵影響光合作用和呼吸作用的新機制，對于探討光合作用、有氧呼吸和無氧呼吸之間的化學偶聯，探究光合生物基本生理過程及優化植物生長和固碳能力具有重要意義。

　　相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。荷蘭阿姆斯特丹自由大學、比利時列日大學和法國國家科學研究中心的科研人員參與研究。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。