脑洞太大,心脏也能进行光合作用了?!

会光合作用的心脏

对于治疗心肌梗塞造成心肌缺氧时,将心脏病患者开膛破肚,将他们的心脏暴露,承受高风险,并非一个好方案。因而,如何零损伤给心脏补氧就成为了科研者们苦思冥想的一件事情。

补氧?植物!!!于是,让心脏进行光合作用成为科学家的一个大胆的想法。

科学家做了一个开创性的研究:当大鼠因心肌梗塞造成心肌缺氧时,研究人员将蓝细菌植入到大鼠心脏,光照之下蓝细菌便凭借光合作用来维持心肌组织中的血氧平衡,从而保障了心肌的紧急氧供应和心脏的正常泵血,如图1,具体可参考文献:An innovative biologic system for photon-powered myocardium in the ischemic heart(DOI: 10.1126/sciadv.1603078)


图1 单个大鼠心肌细胞(红色)和多个蓝细菌(绿色)的扫描电镜照片

研究人员正在尝试利用光合作用和光合细菌,帮助血管堵塞的患者运输氧气,为心脏病治疗提供全新思路,且目前取得了突破性进展。 但是,光合作用是一个复杂的过程,如何精确地控制光合作用,即光合作用参数的测量成为研究的一个重点。

叶绿素荧光动力学

植物的光合作用过程与叶绿素荧光动力学过程密切相关。叶绿素荧光动力学过程即植物吸收日光并通过光合作用来生长,它们会把用不完的热量散发出去,科学家发现,植物会将所吸收日光的1%至2%以荧光的形式释放出来,如图2所示。

几乎所有光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光反映出来,而荧光测定技术不需破碎细胞,不伤害生物体,因此通过研究叶绿素荧光来间接研究光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法。

但是叶绿素荧光动力学是活体生物中的电子传递过程,容易受植物自身的生理状态影响,利用常规的测量手段不能获取完整的荧光动力学信息,更不能有效地对荧光动力学曲线进行反演并获得更多的光合作用参数。

因此如何利用新的测量手段获取荧光动力学信息并通过反演算法获得准确的光合作用参数是一个迫切需要解决的难题。


图2  1米高水稻植株的侧面叶绿素成像图

光合作用参数

近日,中科院环境光学监测技术重点实验室赵南京研究员课题组提出以生物膜能流理论和电子传递过程为基础,采用叶绿素荧光为光合作用过程探针,并以初级电子受体为节点,通过分析快速可变光脉冲诱导下的快相和弛豫荧光动力学过程,获取光合作用过程相关参数,为植物光合作用参数测量及光化学反应科学研究提供先进技术手段。具体研究成果发表在光学学报第七期

实验采用蛋白核小球藻为实验对象,添加Cu2+离子和DCMU进行荧光动力学对比分析实验测量原理如图3所示,三种样品的荧光动力学归一化后的测量结果如图4所示。由于受胁迫条件影响,藻的生长状态受到严重抑制,Cu2+与DCMU样品的可变荧光Fv从正常127下降到22和12,其光化学量子效率 Fv/Fm从0.572下降到0.330和0.217;功能吸收截面PSII由正常水平3.56降低到1.02;平均还原时间QA由583μs增加到3630μs;其中Fv/Fm与PAM技术测量结果的线性为R2=0.982,其结果正确地反映了光合作用变化过程,验证了基于快相与弛豫荧光动力学的植物光合作用参数反演方法的有效性。

                  
                       图3 荧光动力学参数测量原理图            图4 不同胁迫条件下活体叶绿素的荧光动力学曲线对比图

研究人员表示后续将重点在超低噪声光电传感器、微弱信号处理和光脉冲产生与控制等方面开展进一步研究工作。

论文信息:覃志松,赵南京,殷高方,肖雪,甘婷婷,段静波,张小玲,石朝. 快相与弛豫荧光动力学植物光合作用参数反演方法[J].光学学报,2017,37(7):0730002.

作者课题组合影:图左六为赵南京研究员。