Sådan opnår beskyttelsescellekloroplaster energi

Hvorvidt vagtceller (GC'er) udfører fotosyntese har været diskuteret i årtier. Tidligere undersøgelser antydede, at guard cell chloroplaster (GCC'er) ikke kan fiksere CO₂ men senere undersøgelser hævdede noget andet. Indtil for nylig har det været kontroversielt, om GCC'er og/eller GC-fotosyntese spiller en direkte rolle i stomatale bevægelser. Dr. Boon Leong LIM, lektor ved School of Biological Sciences ved University of Hong Kong (HKU), opdagede i samarbejde med Dr. Diana SANTELIA fra ETH Zürich GC'ers ægte kilde til brændstof og løste mysteriet. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nature Communications .

Om morgenen udløser sollys stomata, som er bittesmå porer på planteblade, til at åbne sig. Dette lader CO₂ in og O₂ ud for at øge fotosyntesen. Åbningen af ​​stomata forbruger en stor mængde adenosintrifosfat (ATP), den cellulære energivaluta, men kilderne til ATP til stomataåbning forblev uklare. Nogle undersøgelser antydede, at GCC'er udfører fotosyntese og eksporterer ATP til cytosolen for at aktivere stomataåbningen. I mesofyl-chloroplaster dannes ATP og NADPH (nicotinamid-adenin-dinukleotidphosphat) fra fotosystemer, som bruges som brændstof til at fiksere CO₂ .

Ved at anvende planta-fluorescensproteinsensorer var teamet af Dr. Boon Leong Lim ved HKU i stand til at visualisere realtidsproduktion af ATP og NADPH i mesofylcelle-chloroplasterne (MCC'er) af en modelplante, Arabidopsis thaliana. "Vi kunne dog ikke detektere nogen ATP- eller NADPH-produktion i GCC'er under belysning. Forundret over denne uventede observation kontaktede vi en ekspert i vagtcellemetabolisme, Dr. Diana Santelia fra ETH Zürich, for et samarbejde," sagde Dr. Lim. I løbet af det sidste årti har Santelia-laboratoriet givet dyb og vigtig indsigt i stivelses- og sukkermetabolisme i beskyttelsescellerne (GC'er), der omgiver stomatale porer på bladoverfladen.

I fælles indsats viser holdet, at i modsætning til mesofylceller (MC'er) er GC-fotosyntese dårligt aktiv. Sukkere syntetiseret og leveret af MC'er importeres til GC'er og forbruges af mitokondrier for at generere ATP til stomatal åbning. I modsætning til MCC'er optager GCC'er cytosolisk ATP via nukleotidtransportørerne (NTT'er) på chloroplastmembranen for at aktivere stivelsessyntese i dagtimerne. Ved daggry, mens MC'er begynder at syntetisere stivelse og eksportere saccharose, nedbryder GC'er stivelse til sukker for at levere energi og øge turgortrykket for stomatal åbning. Derfor er funktionen af ​​GCC'er til at tjene som et lager af stivelse vigtig for stomatal åbning. Mens MC'er fikser CO₂ i kloroplaster via Calvin-Benson-Bassham (CBB) cyklus, CO₂ fiksering i cytosolen er hovedvejen for CO₂ assimilering i GC'er, hvor nedstrømsproduktet malat, også er et vigtigt opløst stof til at øge turgortrykket for stomatal åbning. Som konklusion opfører GC'er sig mere som en vask (modtager sukker) end en kilde (giver sukker) væv. Deres funktion er tæt korreleret med MC'ers funktion for effektivt at koordinere CO₂ optagelse via stomata og CO₂ fiksering i MC'er.

"Jeg var meget begejstret, da Dr. Lim kontaktede mig og bad om at samarbejde om dette projekt," sagde Dr. Diana Santelia. "Vi har forsøgt at afklare disse grundlæggende spørgsmål ved hjælp af molekylærgenetiske tilgange. Kombinationen af ​​vores respektive ekspertise har været en vindende strategi," fortsatte hun. Dr. Sheyli LIM, artiklens første forfatter og tidligere ph.d. elev af Lims gruppe bemærkede "De in planta fluorescensproteinsensorer, vi udviklede, er kraftfulde værktøjer til at visualisere dynamiske ændringer af koncentrationerne af energimolekyler i individuelle planteceller og organeller, som giver os mulighed for at løse nogle nøglespørgsmål inden for plantebioenergetik. Jeg er glad for at offentliggør vores opdagelser i Nature Communications ved hjælp af denne nye teknologi."