腦洞太大，心臟也能進行光合作用了！

最新 07-05

會光合作用的心臟

對於治療心肌梗塞造成心肌缺氧時，將心臟病患者開膛破肚，將他們的心臟暴露，承受高風險，並非一個好方案。因而，如何零損傷給心臟補氧就成為了科研者們苦思冥想的一件事情。

補氧？植物！！！於是，科學家腦洞大開，讓心臟進行光合作用，補氧！

科學家做了一個開創性的研究：當大鼠因心肌梗塞造成心肌缺氧時，研究人員將藍細菌植入到大鼠心臟，光照之下藍細菌便憑藉光合作用來維持心肌組織中的血氧平衡，從而保障了心肌的緊急氧供應和心臟的正常泵血，如圖1，具體可參考文獻：An innovative biologic system for photon-powered myocardium in the ischemic heart（DOI: 10.1126/sciadv.1603078）。

研究人員正在嘗試利用光合作用和光合細菌，幫助血管堵塞的患者運輸氧氣，為心臟病治療提供全新思路，且目前取得了突破性進展。

但是，光合作用是一個複雜的過程，如何精確地控制光合作用，即光合作用參數的測量成為研究的一個重點。

圖1 單個大鼠心肌細胞（紅色）和多個藍細菌（綠色）的掃描電鏡照片

葉綠素熒光動力學

植物的光合作用過程與葉綠素熒光動力學過程密切相關。葉綠素熒光動力學過程即植物吸收日光並通過光合作用來生長，它們會把用不完的熱量散發出去，科學家發現，植物會將所吸收日光的1%至2%以熒光的形式釋放出來，如圖2所示。

幾乎所有光合作用過程的變化均可通過葉綠素熒光反映出來，而熒光測定技術不需破碎細胞，不傷害生物體，因此通過研究葉綠素熒光來間接研究光合作用的變化是一種簡便、快捷、可靠的方法。

但是葉綠素熒光動力學是活體生物中的電子傳遞過程，容易受植物自身的生理狀態影響，利用常規的測量手段不能獲取完整的熒光動力學信息，更不能有效地對熒光動力學曲線進行反演並獲得更多的光合作用參數。

因此如何利用新的測量手段獲取熒光動力學信息並通過反演演算法獲得準確的光合作用參數是一個迫切需要解決的難題。

圖2 1 m高水稻植株的側面葉綠素成像圖

光合作用參數

近日，中科院環境光學監測技術重點實驗室趙南京研究員課題組提出以生物膜能流理論和電子傳遞過程為基礎，採用葉綠素熒光為光合作用過程探針，並以初級電子受體為節點，通過分析快速可變光脈衝誘導下的快相和弛豫熒光動力學過程，獲取光合作用過程相關參數，為植物光合作用參數測量及光化學反應科學研究提供先進技術手段。具體研究成果發表在光學學報第七期。

實驗採用蛋白核小球藻為實驗對象，添加Cu2+離子和DCMU進行熒光動力學對比分析實驗測量原理如圖3所示，三種樣品的熒光動力學歸一化後的測量結果如圖4所示。

由於受脅迫條件影響，藻的生長狀態受到嚴重抑制，Cu2+與DCMU樣品的可變熒光Fv從正常127下降到22和12，其光化學量子效率 Fv/Fm從0.572下降到0.330和0.217；功能吸收截面σPSII由正常水平3.56降低到1.02；平均還原時間τQA由583μs增加到3630μs；其中Fv/Fm與PAM技術測量結果的線性為R2=0.982，其結果正確地反映了光合作用變化過程，驗證了基於快相與弛豫熒光動力學的植物光合作用參數反演方法的有效性。