催化学报 ›› 2023, Vol. 44: 117-126.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64170-6

• 论文 • 上一篇    下一篇

光系统II光驱动CO2同化的光合作用

李跃辉a,1, 司端惠a,1, 王旺银b,*(), 薛松c, 商文喆a, 迟占有c, 李灿b, 郝策a,*(), Govindjee Govindjeed, 史彦涛a,*()   

  1. a大连理工大学化工学院化学系, 智能材料化工前沿科学中心, 精细化工国家重点实验室, 辽宁大连 116024, 中国
    b中国科学院大连化学物理研究所, 催化基础国家重点实验室, 洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连 116023, 中国
    c大连理工大学生物工程学院, 辽宁大连 116023, 中国
    d伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校, 生物化学系, 植物生物学系和生物物理学与定量生物学中心, 伊利诺伊州, 美国
  • 收稿日期:2022-07-10 接受日期:2022-09-18 出版日期:2023-01-18 发布日期:2022-12-08
  • 通讯作者: 王旺银,郝策,史彦涛
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(51773025);国家自然科学基金(21677029);国家自然科学基金(22088102);辽宁省兴辽英才青年拔尖人才项目(XLYC2007038);辽宁省兴辽英才青年拔尖人才项目(XLYC2008032);中央高校基础研究经费(DUT22LAB602)

Light-driven CO2 assimilation by photosystem II and its relation to photosynthesis

Yuehui Lia,1, Duanhui Sia,1, Wangyin Wangb,*(), Song Xuec, Wenzhe Shanga, Zhanyou Chic, Can Lib, Ce Haoa,*(), Govindjee Govindjeed, Yantao Shia,*()   

  1. aState Key laboratory of Fine Chemicals, Frontier Science Center for Smart Materials, Department of Chemistry, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China
    bState Key Laboratory of Catalysis, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    cSchool of Bioengineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China
    dDepartment of Biochemistry, Department of Plant Biology and Center of Biophysics& Quantitative Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana 61801, USA
  • Received:2022-07-10 Accepted:2022-09-18 Online:2023-01-18 Published:2022-12-08
  • Contact: Wangyin Wang, Ce Hao, Yantao Shi
  • About author:1 Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(51773025);National Natural Science Foundation of China(21677029);National Natural Science Foundation of China(22088102);LiaoNing Revitalization Talents Program(XLYC2007038);LiaoNing Revitalization Talents Program(XLYC2008032);Fundamental Research Funds for the Central Universities(DUT22LAB602)

摘要:

光合作用作为地球上最重要的化学反应, 是一切生命活动赖以生存的基础. 光合作用分为光反应和暗反应两个阶段. 通常认为, 光反应阶段产生O2, 暗反应阶段CO2被还原(也称“CO2同化”). 尽管这一观点已被公众所熟知, 但也存在诸多疑点, 一些科学家(包括1931年的诺贝尔生理学或医学奖得主Otto Warburg)认为, CO2也可能在光反应阶段作为反应底物参与了产氧并被还原. 然而, 该观点至今没有在实验上获得充足的证据支持. 那么, 在光反应阶段是否能够进行CO2同化?如果能够发生, 产物和机理是什么?毫无疑问, 这些科学问题具有十分重要的研究价值, 对这些问题的探索能帮助我们更加充分认识光合作用机制. 然而, 自上世纪十年代以来, 相关研究已陷入停滞状态.

为了解开光合作用领域的这个重要科学谜团, 即在光合作用中CO2是否能通过光反应被还原, 本文选取三类不同层次的光合作用体系(小球藻、叶绿体、PSII中心复合体)为研究对象, 结合原位质谱、气相色谱和同位素标记等手段, 设计了一系列实验, 排除了呼吸作用和其它因素干扰, 实验发现在光反应阶段PSII中心复合体不但产生O2, 还能产生C1化合物CH3OH. 13CO2和C18O2标记实验结果表明, CH3OH来源于CO2光还原, 排除了CH3OH来自于光呼吸或细胞壁果胶脱甲基分解的可能. 说明光合作用光反应阶段能够进行CO2还原, 反应场所是PSII中心复合体, 这与CO2的同化只能发生在暗反应阶段的传统观点相矛盾. 因此, 除了非光依赖性CO2同化这一已知路径外, 还有一条未知的光驱动CO2同化路径. 进一步推测, 这种CO2光还原路径可能与暗反应下的CO2同化同时进行. 目前, 对这种光驱动下CO2同化机制仍需进一步深入研究. 综上, 本文丰富了人们对光合作用机理以及CO2同化路径的认知, 并为长期以来存在争议的CH3OH来源问题提供了新解释.

关键词: 光合作用, PSII中心复合体, 光反应, CO2同化, 甲醇

Abstract:

For natural oxygenic photosynthesis, there is a consensus that H2O is oxidized to molecular oxygen by photosystem II (PSII) in the grana, while CO2 assimilation takes place, long after oxygen evolution, in light-independent reactions, for example, through the Calvin-Benson Cycle in the stroma. Here, we report, for the first time, light-driven CO2 assimilation by the PSII core complex, where the formation of methanol, along with the oxygen evolution, is validated by in-situ mass spectrometry, gas chromatography and isotopic labeling experiments. Such an unusual CO2 assimilation is likely to be a simultaneous event along with the usual electron transfer occurring in normal light-independent assimilation. This discovery is extraordinary and is of great significance as it may substantially modify our understanding of the mechanism of photosynthesis.

Key words: Photosynthesis, Photosystem II core complex, Photoreaction, CO2 assimilation, Methanol