客观日本

东工大等发现光合作用的光反应和暗反应均由钙离子浓度控制

2020年11月19日 农林牧渔

东京工业大学与摄南大学组成的联合研究团队宣布,发现植物光合作用中发生的“光反应”和“暗反应”都是由叶绿体中的钙离子浓度(随着光能的强弱发生变化)控制的。此次研究发现,光照不足时,钙离子浓度会升高,信息传递物质增加,从而抑制光反应。植物细胞改变了太古时代细菌共生形成的代谢控制机制。

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植物在进化过程中,在细胞内与蓝细菌等实现共生(图片由东京工业大学提供)

植物在光反应中利用光能分解水,产生氧气和其他两种物质。在随后的暗反应中,利用这两种物质和从大气中获取的二氧化碳产生碳水化合物,延续生命活动。进行光合作用的叶绿体被认为起源于约15亿年前,是作为细菌之一的“蓝细菌”进入原始植物细胞中与细胞共生形成的。

光合作用是由光照强度控制的。在蓝细菌中,与光反应和暗反应有关的基因被写入单一的基因组中。光照不足时,细胞内会大量产生信息传递物质“四磷酸鸟苷(ppGpp)”,抑制与光反应和暗反应有关的基因表达。

而在植物细胞中,光反应和暗反应的基因被写入细胞核和叶绿体的基因组中,光反应与暗反应是如何联动的始终是个谜。虽然知道光照不足时钙离子浓度会升高,抑制暗反应,但一直不清楚光反应的控制机制。

因此,研究团队详细调查了用于实验的模型植物“拟南芥”的光合作用。由此发现,钙离子浓度升高后,会大量产生ppGpp,从而抑制光反应,还确定了合成ppGpp的酶。研究团队利用基因组编辑技术制作了缺少这种酶的拟南芥,发现在亮度发生变化的情况下无法很好地生长。

这表明,与蓝细菌不同,植物细胞是通过钙离子的浓度变化控制光反应与暗反应联动的。

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蓝细菌与植物细胞的光反应和暗反应机制比较(图片由东京工业大学提供)

此次的成果将加深对进化过程中发生的细胞内共生的理解,还有助于开发有效进行光合作用的植物。研究团队中的东京工业大学生命理工学院副教授增田真二(植物生理学)表示:“植物细胞在进化过程中是如何形成这种机制的非常有趣,将成为今后的研究课题”。

研究团队由增田副教授和摄南大学农学部的椎名隆教授等人组成。相关研究成果已发布在日本植物生理学会10月22日发行的国际期刊《Plant & Cell Physiology》上,两所大学在同一天发表了该成果。

日语原文

日文:JST Science Portal编辑部
中文:JST 客观日本编辑部

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