Nature子刊：植物如何调整光合作用以适应不断变化的光线

子科生物报道：光为植物提供建立生物量所需的能量。由德国海涅大学(HHU)领导的一个研究小组正在研究植物如何通过光合作用来适应不断变化的光线。他们描述了一种同步相关过程的关键分子机制。

光合作用是植物利用光、水和空气中的二氧化碳积累生物量的核心过程。对这一过程的详细了解使得对其进行修改和优化成为可能——例如，为了提高粮食产量或耐受性。

由HHU分子光合作用研究所的Ute Armbruster教授领导的研究小组正在从一系列角度研究这一过程。该小组与一个跨学科研究小组一起，在《自然通讯》上发表了他们关于植物对不同光照条件的反应过程的研究结果。

光合作用包括两个步骤或“模块”。首先，在所谓的光驱动反应中，光能被转化为植物可以利用的化学能，以分子ATP和NADPH的形式存在。这种能量通过“碳固定反应”将空气中的二氧化碳固定到生物质中。

植物通常生活在快速变化的光照条件下。为了最佳地利用这种光，模块必须紧密同步。迄今为止，对这种同步现象的科学研究还很少。

如果太亮，植物不能转换所有的光能;这是一个潜在的有害情况。为了确保多余的光能不会造成损害——这可能导致高活性氧的形成——植物激活了一种保护机制:所谓的能量依赖猝灭(简称:“qE”)确保多余的能量以热的形式释放出来。

从早期的研究中，我们知道qE在阴凉处被“类囊体K+交换反转运体3”(KEA3)更快地再次关闭。然而，整个过程仍然很慢，当亮度下降时，可用的光能就会丢失。

研究小组现在首次确定了一种分子机制，通过这种机制，两个光合作用模块通过KEA3同步它们的活动。为了实现这一目标，研究人员使用了计算机模拟和各种实验方法，包括生物传感器。

首先，类囊体膜周围介质的pH值对光线变化有高度的动态反应。其次，KEA3的结构和活性会随着pH值的变化而变化。然而，只有当KEA3结合ATP和NADPH时才会发生这种情况。在过量光照下，这会导致KEA3失活，从而使qE处于活动状态。在突然转变为荫蔽后，KEA3被激活，从而上调光合作用的光驱动反应。

Armbruster教授:“通过我们的工作，我们现在第一次了解了光合作用的两个功能模块是如何通过KEA3相互交流的。了解这一点对于制定改善田间光合作用的策略，以长期提高作物产量是很重要的。”