東京工業大學與攝南大學組成的聯合研究團隊宣佈，發現植物光合作用中發生的「光反應」和「暗反應」都是由葉綠體中的鈣離子濃度（隨着發光能量的強弱發生變化）控制的。此次研究發現，光照不足時，鈣離子濃度會升高，資訊傳遞物質增加，從而抑制光反應。植物細胞改變了太古時代細菌共生形成的代謝控制機制。
植物在演化程序中，在細胞内與藍細菌等實施共生（圖片由東京工業大學提供）
植物在光反應中利用發光能量分解水，產生氧氣和其他兩種物質。在隨後的暗反應中，利用這兩種物質和從大氣中獲取的二氧化碳產生碳水化合物，延續生命活動。進行光合作用的葉綠體被認爲起源於約15億年前，是作爲細菌之一的「藍細菌」進入原始植物細胞中與細胞共生形成的。
光合作用是由光照強度控制的。在藍細菌中，與光反應和暗反應有關的基因被寫入單一的基因體中。光照不足時，細胞内會大量產生資訊傳遞物質「四磷酸鳥苷（ppGpp）」，抑制與光反應和暗反應有關的基因表現。
而在植物細胞中，光反應和暗反應的基因被寫入細胞核和葉綠體的基因體中，光反應與暗反應是如何聯動的始終是個謎。雖然知道光照不足時鈣離子濃度會升高，抑制暗反應，但一直不清楚光反應的控制機制。
因此，研究團隊詳細調查了用於實驗的模式植物「擬南芥」的光合作用。由此發現，鈣離子濃度升高後，會大量產生ppGpp，從而抑制光反應，還確定了合成ppGpp的酶。研究團隊利用基因體編輯技術製作了缺少這種酶的擬南芥，發現在輝度發生變化的情況下無法很好地成長。
這表明，與藍細菌不同，植物細胞是透過鈣離子的濃度變化控制光反應與暗反應聯動的。
藍細菌與植物細胞的光反應和暗反應機制比較（圖片由東京工業大學提供）
此次的成果將加深對演化程序中發生的細胞内共生的理解，還有助於開發有效進行光合作用的植物。研究團隊中的東京工業大學生命理工學院副教授增田真二（植物生理學）表示：「植物細胞在演化程序中是如何形成這種機制的非常有趣，將成爲今後的研究課題」。
研究團隊由增田副教授和攝南大學農學部的椎名隆教授等人組成。相關研究成果已發佈在日本植物生理學會10月22日發行的國際期刊《Plant & Cell Physiology》上，兩所大學在同一天發表了該成果。
日文：JST Science Portal編輯部
中文：JST 客觀日本編輯部
