香港大学最新发文：保卫细胞叶绿体如何获得能量

保卫细胞(GCs)是否进行光合作用已经争论了几十年。早期的研究表明，保护细胞叶绿体(GCCs)不能固定二氧化碳，但后来的研究却提出了不同的观点。直到最近，GCCs和/或GC光合作用是否在气孔运动中发挥直接作用仍存在争议。香港大学(港大)生物科学学院副教授Boon Leong Lim博士与ETH Zürich的Diana SANTELIA博士合作，发现气相色谱燃料的真正来源，并解开谜团。这些发现最近发表在《自然通讯》杂志上。

　　

   

   

图1:GCs中NTT转运蛋白(左图蓝色)和淀粉粒(右图黄色)的染色。

资料来源:香港大学

保卫细胞(GCs)是否进行光合作用已经争论了几十年。早期的研究表明，保护细胞叶绿体(GCCs)不能固定二氧化碳，但后来的研究却提出了不同的观点。直到最近，GCCs和/或GC光合作用是否在气孔运动中发挥直接作用仍存在争议。香港大学(港大)生物科学学院副教授Boon Leong Lim博士与ETH Zürich的Diana SANTELIA博士合作，发现气相色谱燃料的真正来源，并解开谜团。这些发现最近发表在著名的《自然通讯》杂志上。

早晨，阳光会促使植物叶片上的气孔打开。这让二氧化碳进来，氧气出来，促进光合作用。气孔打开需要大量的细胞能量货币三磷酸腺苷(ATP)，但ATP的来源尚不清楚。有研究认为，GCCs进行光合作用，并向细胞质输出ATP以激活气孔开放。在叶肉叶绿体中，ATP和NADPH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)是由光系统产生的，它们被用作固定CO2的燃料。

香港大学Boon Leong Lim博士的研究小组利用植物荧光蛋白传感器，在模拟植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的叶肉细胞和叶绿体中，实时观察到ATP和NADPH的产生。“然而，在光照条件下，我们无法检测到GCCs中任何ATP或NADPH的产生。对这一意想不到的观察结果感到困惑，我们联系了来自ETH Zürich的保护细胞代谢专家戴安娜·桑特利亚博士进行合作，”Lim博士说。在过去的十年里，桑特利亚实验室对叶片表面气孔周围保卫细胞(GCs)的淀粉和糖代谢提供了深入和重要的见解。

在共同的努力下，该团队表明，与叶肉细胞(MCs)不同，GC光合作用很不活跃。MCs合成并提供的糖被导入GCs，并被线粒体消耗，生成气孔开放所需的ATP。与mcc不同(注1)，GCCs通过叶绿体膜上的核苷酸转运体(NTTs)吸收胞质ATP，在白天为淀粉合成提供能量。黎明时分，MCs开始合成淀粉并输出蔗糖，GCs将淀粉降解为糖，为气孔打开提供能量和增加膨胀压力。因此，GCCs作为淀粉存储的功能对气孔打开具有重要意义。MCs通过Calvin-Benson-Bassham (CBB)循环将CO2固定在叶绿体中，而胞质中的CO2固定是GCs中CO2同化的主要途径，其下游产物苹果酸盐也是增加气孔打开的膨胀压力的重要溶质。总之，gc的行为更像一个“汇”(接收糖)组织，而不是一个“源”(提供糖)组织。它们的功能与MCs的功能密切相关，以有效协调MCs通过气孔吸收CO2和CO2固定。

“当Lim博士联系我，要求在这个项目上合作时，我非常兴奋，”Diana Santelia博士说。“我们一直试图用分子遗传学的方法来澄清这些基本问题。结合我们各自的专业知识是一个成功的战略，”她继续说。Sheyli LIM博士是这篇文章的第一作者，他曾是LIM团队的一名博士生，他说:“我们开发的植物内荧光蛋白传感器是观察单个植物细胞和细胞器中能量分子浓度动态变化的强大工具，这使我们能够解决植物生物能学中的一些关键问题。我很高兴利用这项新技术在《自然通讯》上发表我们的发现。”

 

研究论文可在此查阅:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28263-2

 

研究项目视频:https://www.youtube.com/watch?v=XDBzmffc_Jk

文章标题

Arabidopsis guard cell chloroplasts import cytosolic ATP for starch turnover and stomatal opening