实时植物细胞NADPH监测技术

Optimizing the energy metabolism in plant cells is the key to enhance crop yields. This project aims to clarify the relationships between various subcellular compartments (e.g. chloroplasts, mitochondria, peroxisomes, cytosol, etc.) in terms of energy production at subcellular level. By employing novel fluorescence protein sensors, this project will trace the real-time changes of ATP, NADPH and pH in these organelles. Unlike conventional methods, our methods do not require the isolation of organelles. The advantage is that we can real-time monitor the changes of organellar ATP and NADPH during photosynthesis and its relationship with respiration by the application of specific inhibitors. This project will provide a novel tool for further understanding of the cellular energy metabolism and the cooperation between organelles in plant cells.

通过优化植物叶绿体和线粒体的能量代谢是实现植物增产的重要途径。本项目旨在利用新型的荧光蛋白感受器技术，实现对多种植物细胞器（叶绿体、线粒体、过氧化酶体、细胞质等）在不同生理环境下的ATP能量分子、NADPH还原基、pH等多项生化指标的实时监测和动态追踪，从而在亚细胞水平层面综合分析植物能量细胞器间的关键过程和相互作用。该技术突破了传统检测手段对待测分子体外提取的依赖，打破了既往植物细胞能量分区研究的局限，有助于填补光合作用和呼吸作用互作机理的空白，并为从优化能量代谢角度探索植物增产技术以及其他氧化还原相关代谢的基础研究创做新的实验平台，以进一步完善对高等植物细胞器间能量流的互作及转化关系的了解。

在国家自然科学基金面上项目（批准号：31870212）的资助下，香港大学林文量教授团队利用自主研发的植物荧光蛋白传感器解决了两个光合作用的重要问题，在植物细胞能量流动上取得重要进展。该项目的研究成果之一以“In planta study of photosynthesis and photorespiration using NADPH and NADH/NAD+ fluorescent protein sensors”为题，于2020年6月26日在《自然通讯》杂志上发表。.研究团队将两种新型的植物荧光蛋白传感器（iNAP和SoNar）导入拟南芥，监测NADPH和NADH/NAD+比值的动态变化。与传统的检测方法相比，植物荧光蛋白传感器不仅能够在活细胞中进行检测，亦可以在亚细胞水平上监测植物氧化还原状态的动态变化。该团队的发现，在光合作用期间，植物通过光呼吸向线粒体提供大量的NADH，远超线粒体生产ATP的需要。多余的NADH将通过线粒体的苹果酸-草酰乙酸酯转运体以苹果酸的形式输入到细胞质中，并在细胞中累积。.该项目的另一研究成果以“Arabidopsis guard cell chloroplasts import cytosolic ATP for starch turnover and stomatal opening”为题，于2022年2月3日在线发表在《自然通讯》杂志上。保卫细胞叶绿体和/或保卫细胞光合作用是否在气孔运动中发挥直接作用的争论已经持续了半个多世纪。通过使用植物荧光蛋白传感器以及保卫细胞淀粉染色技术，团队发现保卫细胞光合作用的活性很差。由叶肉细胞合成的糖被运输进入保卫细胞，随后被保卫细胞线粒体消耗以产生ATP，从而为气孔开放提供能量。保卫细胞叶绿体通过叶绿体膜上的核苷酸运输器（NTTs）吸收细胞质ATP，在白天为淀粉合成提供能量。在黎明时分，当叶肉细胞开始合成淀粉并输出蔗糖时，保卫细胞将淀粉降解为糖，以提供能量并增加渗透压来促进气孔开放。基于上述研究结果，该团队提出，保卫细胞叶绿体的主要功能不是光合作用，而是作为淀粉的存储仓库，来调整气孔开放期间保卫细胞中的糖溶质水平。.该项目解决了两个长期困扰植物学家的植物细胞能量流动的重要问题，有助于在未来提高植物光合效率和农业产量。