Im Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii finden Photosynthese und aerobe Atmung in Chloroplasten bzw. Mitochondrien statt, während anaerobe Gärung unabhängig voneinander im Zytoplasma, in den Mitochondrien und Chloroplasten stattfinden kann. Wie diese drei grundlegenden Prozesse des Energiestoffwechsels in Harmonie und Ordnung innerhalb derselben Zelle ablaufen, ist eine wissenschaftliche Frage, die einer eingehenderen Betrachtung bedarf. Derzeit gibt es relativ wenig Forschung zu den Wechselwirkungen zwischen den drei Prozessen, und der Mechanismus der funktionellen Kopplung ist noch nicht klar.
Frühere Studien haben gezeigt, dass photosynthetische Organismen bei Dunkelheit allmählich Protonen ansammeln, was zur Versauerung des chloroplastenartigen Vesikellumens und damit zur Hemmung der Photosynthese führt, was mit der Chloroplastenatmung oder der ATP-Hydrolyse zusammenhängen kann. Basierend auf früheren Studien zur Versauerung des Zystenlumens stellte Tian Lijins Forschungsgruppe am Institut für Botanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Hypothese auf, dass die während des Fermentationsprozesses entstehende schwache Säure die Photosynthese gehemmt haben könnte. Um diese Hypothese zu testen, integrierte die Studie biologische, physikalische und chemische Methoden und fand heraus, dass die Zugabe von schwachen Säuren unter Dunkelheitsbedingungen eine Versauerung des Zystenlumens bei den Chloroplasten-Atmungsmutanten ptox2, nda2 und dem ATP-Hydrolyse-Mutanten FUD50 verursachen kann, was die Behauptung ausschloss, dass die Versauerung des Zystenlumens im Dunkeln durch die Chloroplastenatmung bzw. ATP-Hydrolyse verursacht wurde. Inzwischen wurde festgestellt, dass der Versauerungsgrad im Zystenlumen positiv mit der Gesamtansammlung anaerob verstoffwechselter schwacher Säuren korrelierte, während bei Experimenten mit der Grünalge NIES-2499, die während des Fermentationsstoffwechsels keine schwachen Säuren produziert, unter denselben Behandlungsbedingungen keine Versauerung festgestellt wurde. Dies deutet darauf hin, dass der durch Fermentation produzierte schwache Säuremetabolit der Auslöser für die Versauerung des Zystenlumens ist. Die Studie zeigte auch, dass dieser Rückkopplungsregulierungsmechanismus von Metaboliten bei verschiedenen Arten photosynthetischer Organismen existiert. Darüber hinaus wurde in der Studie, basierend auf der Semipermeabilität der Membran für kleine Moleküle, das „Ionenfallen“-Modell vorgeschlagen, d. h. die durch exogene Zugabe oder anaerobe Gärung entstehenden schwachen Säuremoleküle können die Lipiddoppelschicht durchdringen und schließlich in das zystoide Lumen gelangen, die ionisierten Ionen können die Membran jedoch nicht frei durchdringen, und das zystoide Lumen hat eine geringere pH-Pufferkapazität, was zur Ansammlung von Protonen im Lumen und zur Versauerung führt, wodurch es zur Versauerung kommt.
Diese Studie erläutert einen neuen Mechanismus, durch den anaerobe Gärung die Photosynthese und Atmung in photosynthetischen Organismen beeinflusst, was von großer Bedeutung für die Erforschung der chemischen Kopplung zwischen Photosynthese, aerober Atmung und anaerober Atmung und für die Untersuchung der grundlegenden physiologischen Prozesse photosynthetischer Organismen sowie für die Optimierung des Wachstums und der Kohlenstoffbindungskapazität von Pflanzen ist.
Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden online in Nature Communications veröffentlicht. An der Studie waren Forscher der Freien Universität Amsterdam (Niederlande), der Universität Lüttich (Belgien) und des CNRS (Frankreich) beteiligt. Die Forschung wurde vom National Key Research and Development Program of China, der National Natural Science Foundation of China und dem Strategic Pilot Project der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt.
Stoffwechselweg der anaeroben Fermentation in Chlamydomonas reinhardtii und ein Arbeitsmodell der „Ionenfalle“
