2023年8月，中國科學(xué)院植物研究所田利金研究組在《Nature Communications》（自然-通訊）上在線發(fā)表相關(guān)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無氧發(fā)酵影響光合作用和呼吸作用的新機(jī)制。

該研究基于前期對(duì)于類囊體腔酸化的研究，推測(cè)可能是在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的弱酸抑制了光合作用。為了驗(yàn)證這一猜想，研究綜合運(yùn)用生物、物理和化學(xué)方法，通過使用葉綠體呼吸突變體ptox2、nda2和ATP水解突變體FUD50，黑暗條件下添加弱酸發(fā)現(xiàn)可以致其類囊體腔酸化，分別排除了黑暗中類囊體腔的酸化是由葉綠體呼吸和ATP水解導(dǎo)致的論斷。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，類囊體腔內(nèi)的酸化程度與無氧代謝弱酸的總積累量成正相關(guān)，而在同等處理?xiàng)l件下，利用發(fā)酵代謝過程中不產(chǎn)弱酸的綠藻NIES-2499開展試驗(yàn)則未發(fā)現(xiàn)酸化的現(xiàn)象。這表明發(fā)酵產(chǎn)生的弱酸代謝物是使類囊體腔發(fā)生酸化的誘因。研究還證明了這種代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制存在于不同種類的光合生物中。進(jìn)一步，根據(jù)膜對(duì)小分子的半透性特性，研究提出了“離子陷阱”模型，即外源添加或無氧發(fā)酵產(chǎn)生的弱酸分子能夠跨越脂質(zhì)雙分子層，最終進(jìn)入類囊體腔，但電離出的離子不能自由跨膜，類囊體腔內(nèi)的pH值緩沖能力較低，腔內(nèi)質(zhì)子不斷積累，從而發(fā)生酸化。該研究對(duì)于探討光合作用、有氧呼吸和無氧呼吸之間的化學(xué)偶聯(lián)，探究光合生物基本生理過程及優(yōu)化植物生長和固碳能力具有重要意義。