在模式生物莱茵衣藻中，光合作用和有氧呼吸分别在叶绿体和线粒体中进行，而厌氧发酵可以在细胞质、线粒体和叶绿体中独立发生。这三个基本的能量代谢过程如何在单个细胞内和谐地发生仍然很大程度上尚未被探索。

中国科学院植物研究所田利金研究员课题组发现，无氧发酵代谢产物会抑制光合作用和有氧呼吸。他们的研究发表在《自然通讯》上。

先前的研究表明，光合生物在黑暗处理下逐渐积累质子，导致类囊体腔酸化并随后抑制光合作用，这暂时归因于氯呼吸或ATP水解。然而，研究人员通过使用缺乏相关基因的突变体分别排除了这些解释。

在这项研究中，考虑到浓缩细胞的长期暗适应会导致缺氧，从而引发酸性发酵，研究人员由此推测发酵过程中产生的弱酸可能抑制了光合作用。

为了验证这一想法，他们发现管腔酸化程度与发酵产生的弱酸总积累量呈正相关，而在绿藻NIES-2499中没有检测到酸化，因为绿藻NIES-2499在发酵代谢过程中不产生弱酸。

这表明发酵是黑暗中管腔酸化的原因，研究人员还证实这种代谢物反馈调节机制存在于许多不同物种的光合生物中。

鉴于类囊体膜对弱酸分子具有半渗透性，研究人员提出了“离子陷阱”模型：中性形式的弱酸，无论是外源的还是发酵过程中产生的，都可以穿过脂质双层，最终进入类囊体，而电离的离子则无法逃逸。在这种情况下，类囊体管腔中的pH缓冲能力远低于基质中的pH缓冲能力，因此质子会继续积累，直到类囊体管腔变成酸性。

“这项研究阐明了发酵影响光合生物光合作用和呼吸的新机制，对于探索光合作用、有氧呼吸和无氧呼吸之间的化学耦合具有重要意义，有助于了解光合生物的基本生理过程，可能为光合生物的研究提供新的思路。”该研究的通讯作者田教授说：“我们探索了优化植物生长和碳同化的方法。”

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