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