中国科学院揭示无氧发酵代谢物抑制光合作用和有氧呼吸的新机制

2023年8月，中国科学院植物研究所田利金研究组在《Nature Communications》（自然-通讯）上在线发表相关研究成果“Weak acids produced during anaerobic respiration suppress both photosynthesis and aerobic respiration”。研究揭示了光合生物中无氧发酵影响光合作用和呼吸作用的新机制。

该研究基于前期对于类囊体腔酸化的研究，推测可能是在发酵过程中产生的弱酸抑制了光合作用。为了验证这一猜想，研究综合运用生物、物理和化学方法，通过使用叶绿体呼吸突变体ptox2、nda2和ATP水解突变体FUD50，黑暗条件下添加弱酸发现可以致其类囊体腔酸化，分别排除了黑暗中类囊体腔的酸化是由叶绿体呼吸和ATP水解导致的论断。同时，研究发现，类囊体腔内的酸化程度与无氧代谢弱酸的总积累量成正相关，而在同等处理条件下，利用发酵代谢过程中不产弱酸的绿藻NIES-2499开展试验则未发现酸化的现象。这表明发酵产生的弱酸代谢物是使类囊体腔发生酸化的诱因。研究还证明了这种代谢产物的反馈调节机制存在于不同种类的光合生物中。进一步，根据膜对小分子的半透性特性，研究提出了“离子陷阱”模型，即外源添加或无氧发酵产生的弱酸分子能够跨越脂质双分子层，最终进入类囊体腔，但电离出的离子不能自由跨膜，类囊体腔内的pH值缓冲能力较低，腔内质子不断积累，从而发生酸化。该研究对于探讨光合作用、有氧呼吸和无氧呼吸之间的化学偶联，探究光合生物基本生理过程及优化植物生长和固碳能力具有重要意义。