地球上所有的生命最终都依赖于太阳的能量，光合作用是至关重要的一环。光合作用产生三磷酸腺苷(ATP)，三磷酸腺苷是生物体中普遍存在的分子燃料。一个国际研究小组开发了一种方法来可视化活植物中的三磷酸腺苷，并观察到成熟植物的叶绿体在很大程度上与其他细胞空间隔离开来，以管理它们的三磷酸腺苷。结果确定了植物有效利用能源的策略，为今后的作物育种提供了信息。
他们的观察表明，只有非常年轻的拟南芥叶片中的叶绿体才能从细胞质中导入ATP来支持叶绿体的发育，而ATP进入成熟叶绿体来支持CO2固定的速率可以忽略不计。这种发育转化对于限制夜间光合作用不起作用时无用的三磷酸腺苷消耗可能很重要。
“我们发现叶绿体中的ATP浓度明显低于成熟的光合细胞细胞质中的ATP浓度，”第一作者、大学生物科学学院的李文林博士说。“虽然叶绿体是植物细胞中关键的能量收集器和生产者，但它对ATP的需求也很高。光照会立即增加叶绿体中的ATP浓度，但光照停止后很快就会降到基本水平。我们的结果表明，在黑暗中限制成熟叶绿体中的ATP消耗是必要的。成熟叶肉叶绿体的主要工作是收获能量和输出糖分，以支持植物在光照下的生长。然而，必须避免在黑暗中浪费能源。美国国家科学院院刊。
合著者、德克萨斯AM大学的Wayne K. Versaw博士和Abira Sahu博士说：“对整个植物进行实时成像提供了空间和时间分辨率，并揭示了不同细胞区室如何合作来管理光合作用和整体细胞能量的重要变化。”
这些结果对于理解植物细胞中的能量流动也具有重要意义。利用从阳光中收集的能量，水分子分裂成质子、氧和电子。通过电子系统将NADP还原为NADPH。随着水的分裂，这种所谓的线性电子流(LEF)也在类囊体膜上产生pH梯度，这是ATP合成的驱动力。为了将一个CO2分子固定在叶绿体中，消耗了三个ATP和两个NADPH分子。然而，LEF每2个NADPH只能产生2.57个ATP分子。为了使光合作用有效地工作，必须解决三磷酸腺苷的短缺。2015年发表在《自然》杂志上的一篇文章(524: 366-369)显示，单细胞硅藻中的叶绿体可以引入胞质溶胶ATP来支持固碳。
作为博士生加入实验室的Chiapao Voon说：“与单细胞硅藻不同，成熟的植物叶绿体不能从细胞质中导入ATP来补充固定CO2的需求。相反，减少当量输出是保持光合作用所需的最佳ATP/NADPH比值的关键。否则，叶绿体中NADPH的积累会阻碍光合作用。”
“利用不同细胞区室之间的空间分辨率研究活细胞代谢的能力是向前迈出的一大步，将显著增加我们对细胞如何工作的理解。我对线粒体的贡献特别感兴趣。光合作用代表”合作者乌默奥大学的佩尔加德斯特罗姆教授说。
合著者、明斯特大学的markusschwarzlnder教授补充道：“这项研究使我们更接近于理解细胞如何优化细胞在不同细胞器中的操作条件。我发现如何保持植物能量代谢的效率，以及如何保持它特别有趣，这似乎是动态调整的。
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