非凡的发现可能会极大地改变我们对光合作用机制的理解

诸平

Photosynthesis is the greatest natural process on Earth. It has been widely accepted that CO₂ assimilation takes place in light-independent reactions, for example, through the Calvin-Benson Cycle in the stroma. Here, an unusual light-driven CO₂ assimilation (into methanol) by the PSII core complex in photosynthesis was reported. The extraordinary finding is likely to be a simultaneous event along with the usual electron transfer occurring in normal light-independent assimilation. Credit: Chinese Journal of Catalysis

《科技日报》（scitechdaily）网站2023年1月15日，报道了中国科学院大连化学物理研究所（Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy Sciences）的非凡发现可能会极大地改变我们对光合作用机制的理解（Extraordinary Discovery May Substantially Change Our Understanding of the Mechanism of Photosynthesis）。

光合作用是地球上最伟大的自然过程。人们普遍认为，CO₂同化发生在与光无关的反应中，例如，通过基质中的卡尔文-本森循环（Calvin-Benson Cycle）。在这里，报告了光合作用中 PSII 核心复合物不寻常的光驱动CO₂同化（转化为甲醇）。这一非同寻常的发现很可能是与正常的不依赖光的同化作用中发生的常见电子转移同时发生的事件（见图1，Fig. 1）。

光系统 II 对光驱动的CO₂同化及其与光合作用的关系(Light-Driven CO₂ Assimilation by Photosystem II and Its Relation to Photosynthesis)

光合作用是将太阳光大规模转化为化学能并维持地球生命的最伟大的自然过程。含氧光合作用基本上有两个连续的阶段，其中光系统 II (photosystem II 简称PSII) 和光系统 I (photosystem I 简称PSI) 中的光依赖反应能够将H₂O氧化成分子氧，并产生还原力 (NADPH和ATP），而众所周知，CO₂同化通常在氧气释放和NADP +还原后很长时间内通过基质中的光依赖性反应发生。

同时，广泛的共识是，在光依赖性反应中，CO₂（或碳酸氢盐）不会作为底物被还原，而是在O₂的演化中发挥独特的刺激作用，即所谓的“碳酸氢盐效应(bicarbonate effect)”。自20世纪70年代以来，碳酸氢盐效应以及PSII中的碳酸氢盐结合位点的作用已得到深入研究，迄今为止已得出一些重要结论。然而，PSII中的CO₂（或碳酸氢盐）被认为仅在水氧化过程中起辅助作用，而不是被 PSII“同化”。

最近，一组研究人员首次报道了PSII核心复合物的光驱动CO₂同化作用，其中甲醇 (CH₃OH) 的形成以及氧气的释放通过原位质谱法、气相色谱和同位素标记实验得到验证。

该研究团队包括来自中国大连理工大学（Dalian University of Technology）、中国科学院大连化学物理研究所（Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, China）和美国伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign, USA）的科学家。

这种不寻常的CO₂同化很可能与正常的不依赖光的同化中发生的常见电子转移同时发生。这一发现非同寻常，意义重大，因为它可能会大大改变我们对光合作用机制的理解。该成果于2022年12月2日已经在《中国催化》（Chinese Journal of Catalysis）杂志网站发表——Yuehui Li, Duanhui Si, Wangyin Wang, Song Xue, Wenzhe Shang, Zhanyou Chi, Can Li, Ce Hao, Govindjee Govindjee, Yantao Shi. Light-driven CO₂ assimilation by photosystem II and its relation to photosynthesis. Chinese Journal of Catalysis, 2 December 2022, DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64170-6

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