主题： NMT在光合研究领域的应用成果

光通过复杂的光合作用和非光合作用网络影响叶片的伸展生长，叶绿体中的色素系统和特殊的蓝光受体等光受体参与了这个过程。叶片的伸展是一个膨压控制的过程，吸收水分进入细胞，通过增加细胞的渗透势来驱动叶片的伸展，这个过程需要离子如K⁺和Cl^-的参与。因此，非常有必要研究叶片生长过程中离子的机制。但是其中的光受体调节的离子机制还不清楚。


澳大利亚的科学家使用非损伤微测技术测定了玉米(Zea mays L.)叶片的H⁺、K⁺和Ca²⁺流速。实验发现光暗处理后，离子流速发生显著变化，光诱导离子流的动力学在叶片的不同区域完全不同，且离子流被光合作用抑制剂DCMU所抑制。结果认为光诱导的H⁺外流由质子泵控制，光照刺激了K⁺的吸收，增加了细胞质的渗透势，驱动细胞伸展。因此，光诱导叶肉细胞K⁺流速的变化可能扮演一个交换平衡的作用。


这项研究发现了光诱导的离子流变化与叶片生长和光合作用有关，推测叶绿体和非光合作用光受体在光驱动的叶片生长中可能是一个统一的行为。非损伤微测技术具有的高时间和空间分辨率，为测定这三种离子的流速提供了可能，这也为理解离子影响叶片生长的机制提供了非常有价值的证据。

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Mg作为组成叶绿素的重要成分，其在膜转运以及不同Mg供应量对转运过程产生影响的分离子机制并不明确。本研究利用非损伤微测技术，检测了蚕豆叶肉细胞中，Mg对质膜H⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺转运体活性所起到的效用。通过非损伤微测系统检测离子流速发现，至少Mg²⁺的跨膜吸收至少与两种机制相关，一种是可透过K⁺、Ca²⁺的非选择性阳离子通道，另一种是当Mg²⁺低于30 μM时启动，推测为H⁺/ Mg²⁺交换体。实验发现，在蚕豆叶肉细胞中，不同水平的Mg显著地影响了质膜上的H⁺、K⁺、Ca²⁺转运体。研究论述了Mg诱导的叶片响应光照的电生理变化及此过程中的离子机制的生理意义。


研究首次展示了叶肉细胞Mg²⁺的实时跨膜流速及其对光信号响应后产生的变化。实验发现，缺Mg时，叶肉细胞K⁺对光信号变化的反应最明显，而50 mM Mg条件下K⁺流动最不明显。这表明，光诱导的K⁺流动与Mg供应量没有相关性，证明了光诱导的K⁺流动与细胞肿胀即叶片扩展生长没有直接联系，而光诱导的K⁺流动很可能只是用于调节电荷平衡。

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大叶藻是浅滩上重要的生态链组成部分。以前的研究表明大叶藻有高校的碳酸氢盐利用能力，能够通过质子分泌和形成酸化区域促进碳酸盐的利用。H⁺在这个过程中非常重要，那么同时测定光合作用的状态和H⁺流速则显得非常重要。然而，由于缺乏合适的工具，这种同时测定的想法从未实现。


2012年12月，中国科学院海洋研究所王广策实验室在《Physiologia Plantarum》发表了题为“Simultaneous measurements of H⁺ and O₂ fluxes in Zostera marina and its physiological implications”的文章。使用NMT同时测定了H⁺和O₂流速，揭示了大叶藻在碳利用的同时H⁺和光合作用的关系。实验发现50mM的Tris显著抑制了大叶藻的光合O₂释放，因为Tris能结合细胞外的H⁺。


在这个研究中，使用非损伤微测技术同时监测大叶藻的H⁺和O₂流速，以及电子传递链的速率。在稳定的光合作用期间，O₂明显外流，H⁺明显内流。Tris和呼吸抑制剂明显抑制O₂的释放。这为我们认识H⁺与光合作用的关系提供了有力的工具。