光呼吸不能抵御波动的光照条件

光合作用是自然界最重要的代谢过程之一：它对于植物生长以及植物性食品的生产至关重要。由杜塞尔多夫海因里希·海涅大学 (HHU) 领导的德美研究小组与马克斯·普朗克分子植物生理学研究所 (MPI-MP) 密切合作，目前研究了光合作用中与碳固定竞争的特定代谢途径是否具有对植物有保护作用。正如研究人员在科学杂志《自然通讯》上解释的那样，这些结果也与农作物育种相关。

在光合作用过程中，植物将光能转化为化学能。这种化学能以特殊分子的形式存在：ATP 和 NAD(P)H。这些分子中储存的能量可普遍用于植物中的其他代谢过程，例如以碳氢化合物(如糖)的形式固定空气中的二氧化碳(CO 2 )。

催化蛋白“Rubisco”对于这个过程很重要。然而，Rubisco 不仅可以固定 CO 2，​​而且还可以固定氧气(作为不需要的副反应)。在此过程中，会产生有的副产物2-磷酸乙醇酯，从而损害CO 2的固定。为了消除破坏性的 2-磷酸乙醇酸，需要进一步的能量密集型代谢过程：光呼吸。

在一天中，光强度会急剧波动——例如，当风吹动周围的树叶或因云而吹动时。因此，以 ATP 和 NAD(P)H 形式提供的化学能也会波动。如果植物突然暴露在强光下，可能会对植物造成伤害：由于ATP和NAD(P)H的前体分子数量有限，因此只有部分吸收的光能可以转化为化学能。过量的光能会对蛋白质造成所谓的光氧化损伤，从而使其失活。

HHU 分子光合作用研究所的 Ute Armbruster 教授领导的研究小组现已研究光呼吸是否可以保护植物在剧烈波动的光照条件下免受光氧化损伤。他们的假设是：光呼吸消耗多余的化学能，释放足够的前体分子来产生 ATP 和 NAD(P)H。来自波茨坦马克斯·普朗克分子植物生理学研究所、波茨坦大学和东兰辛密歇根州立大学的研究人员也参与了该项目。

该研究的对象是拟南芥(Arabidopsis thaliana)，其中一些植物(所谓的基因敲除植物)中的 HPR1 和 GGT1 基因被关闭。这些基因编码光呼吸的两种关键酶，这些酶可以在该代谢途径的不同点找到。将植物暴露在不同的光照条件下：两种强度的波动光和恒定光。

研究人员观察了植物在不同光照条件下的生长情况。根据这一假设，光呼吸能力有限的植物在剧烈波动的光照条件下生长得较差，因为光呼吸在这里无法发挥保护功能。

该研究的主要作者 Thekla von Bismarck 博士表示：“我们的假设尚未得到证实：在波动的光照条件下，光呼吸似乎在保护植物方面没有发挥关键作用。事实上，没有完全发挥光呼吸过程功能的植物在波动光条件下似乎比恒定光条件下生长得更好。”

波茨坦的合作伙伴为这项研究贡献了一个计算机模型，可以预测各种代谢过程。Armbruster 教授：“植物新陈代谢被证明非常灵活。尽管植物缺乏某些光呼吸酶，但它们能够通过其他代谢途径来弥补这种缺乏。然而，替代途径取决于光照条件，对于没有 GGT1 的植物，我们能够证明波动光激活的代谢途径在光氧化损伤方面比非波动光危害更小。”

在通过综合绕过光呼吸来提高作物产量的背景下，这些结果很有趣。植物在叶绿体中自身替代代谢途径的激活可用于从Rubisco附近的光呼吸中释放CO 2 ，​​从而改善动态光照条件下的光合作用。

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