Nature Plants | 甘氨酸和丝氨酸在光呼吸中的独特作用

撰文 | 十一月

光呼吸是植物碳氮代谢的重要过程，是植物对动态环境的响应。光呼吸将Rubisco催化的氧化反应产生的抑制性中间产物回收到C3循环中，但尚不清楚含氮中间产物比如甘氨酸和丝氨酸的比例是多少以及中间产物池的大小如何影响光呼吸瞬时过程中的净CO2气体交换。为了揭开这一问题的答案，美国密歇根大学Berkley J. Walker研究组通过同位素非平稳代谢通量分析（Isotopically non-stationary metabolic flux analysis）测量了光呼吸中氨基酸输出的速率，从而确定了在各种光呼吸条件下，定量了甘氨酸和丝氨酸的光呼吸通量中的比例和变化。相关研究结果以Integrated flux and pool size analysis in plant central metabolism reveals unique roles of glycine and serine during photorespiration为题发表在Nature Plants上。

光呼吸的碳会以氨基酸的方式输出，在叶片光合作用的生化模拟实验中曾经发现光呼吸的碳会以甘氨酸以及丝氨酸的形式输出【1】。为了定量化光呼吸中的甘氨酸与丝氨酸，作者们计划使用同位素示踪和代谢通量分析，这是解决代谢如何影响环境变化的有力工具【2-3】。作者们通过使用13C标记CO2，可以推断光呼吸对叶片中碳代谢的影响。

在该工作中，作者们使用了同位素非平稳代谢通量INST-MFA研究在不同光呼吸条件下通过和流出光呼吸的碳通量。为了估计碳通量对中枢代谢的影响，在3种摩尔分数O2条件（2%、21%以及40%）短暂驯化后，作者们对完全膨大的烟草叶片进行了短暂的13C标记。随后作者们通过代谢网络模型、瞬时标记期的质量同位素分布以及测量输入和输出通量来检测中枢代谢的通量，主要关注的参数包括净二氧化碳同化量A、 Rubisco氧化速率vo、Rubisco羧化速率vc、淀粉和蔗糖生产速率以及渗出液中测量氨基酸和蔗糖的输出通量比（图1）。

图1 不同O2条件下烟叶中心碳同化代谢通量

作者们通过测量A以及环境O2和强光下CO2响应，估算离开光呼吸途径的碳，以此作为甘氨酸和丝氨酸的比例，并将其与光合模型在磷酸三酯利用限制范围内进行拟合，与INST-MFA结果进行比较，发现光呼吸碳主要以丝氨酸的形式存在。

随后作者们对不同O2浓度条件下的烟草叶片进行代谢物池大小的检测，对每种代谢产物的浓度检测，并与21% O2浓度下叶片中同一代谢产物进行归一化。通过对38种中心代谢物的代谢物池大小测量表明，作者们发现甘氨酸对光呼吸转移的响应最强。

总的来说，作者们通过同位素标记INST-MFA实验方法，在不同O2浓度条件下，对光呼吸输出的丝氨酸和甘氨酸进行定量评估，发现在各种不同的光呼吸条件下23-41%以丝氨酸的形式高速率输出，进一步通过中间代谢产物的定量作者们发现甘氨酸池的累积和释放对于光呼吸通量的重要作用。

参考文献：

1.Walker, B. J., Kramer, D. M., Fisher, N. & Fu, X. Flexibility in the energy balancing network of photosynthesis enables safe operation under changing environmental conditions. Plants 9, 301 (2020)

2.Szecowka, M. et al. Metabolic fluxes in an illuminated Arabidopsis rosette. Plant Cell 25, 694–714 (2013).

3.Ma, F., Jazmin, L. J., Young, J. D. & Allen, D. K. Isotopically nonstationary 13C flux analysis of changes in Arabidopsis thaliana leaf metabolism due to high light acclimation. Proc. Natl Acad.Sci. USA 111, 16967–16972 (2014).

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01294-9