Of bewakingscellen (GC's) fotosynthese uitvoeren, is al tientallen jaren onderwerp van discussie. Eerdere studies suggereerden dat guard cell chloroplasts (GCC's) CO₂ . niet kunnen fixeren maar latere studies beweerden anders. Tot voor kort bleef het controversieel of GCC's en/of GC-fotosynthese een directe rol spelen bij stomatale bewegingen. Dr. Boon Leong LIM, universitair hoofddocent van de School of Biological Sciences van de Universiteit van Hong Kong (HKU), ontdekte in samenwerking met Dr. Diana SANTELIA van ETH Zürich, de echte brandstofbron van GC's en ontrafelde het mysterie. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Communications .

'S Ochtends zorgt zonlicht ervoor dat huidmondjes, kleine poriën op bladeren van planten, worden geopend. Dit laat CO₂ in en O₂ uit om de fotosynthese te stimuleren. Het openen van huidmondjes verbruikt een grote hoeveelheid adenosinetrifosfaat (ATP), de cellulaire energievaluta, maar de bronnen van ATP voor het openen van huidmondjes bleven onduidelijk. Sommige studies suggereerden dat GCC's fotosynthese uitvoeren en ATP naar het cytosol exporteren om de huidmondjes te openen. In mesofyl-chloroplasten worden ATP en NADPH (nicotinamide-adenine dinucleotide fosfaat) gegenereerd uit fotosystemen, die worden gebruikt als brandstof voor het fixeren van CO₂ .

Door gebruik te maken van planta-fluorescentie-eiwitsensoren, was het team van Dr. Boon Leong Lim van HKU in staat om realtime productie van ATP en NADPH in de mesofylcel-chloroplasten (MCC's) van een modelplant, Arabidopsis thaliana, te visualiseren. "We konden echter tijdens de belichting geen ATP- of NADPH-productie in GCC's detecteren. Verbaasd door deze onverwachte observatie namen we contact op met een expert in het metabolisme van wachtcellen, Dr. Diana Santelia van ETH Zürich, voor een samenwerking," zei Dr. Lim. Het afgelopen decennium heeft het Santelia-lab diepgaande en belangrijke inzichten opgeleverd in het zetmeel- en suikermetabolisme in de wachtcellen (GC's) rond de stomatale poriën op het bladoppervlak.

In gezamenlijke inspanningen laat het team zien dat GC-fotosynthese, in tegenstelling tot mesofylcellen (MC's), slecht actief is. Suikers gesynthetiseerd en geleverd door MC's worden geïmporteerd in GC's en geconsumeerd door mitochondriën om ATP te genereren voor stomatale opening. In tegenstelling tot MCC's, nemen GCC's cytosolisch ATP op via de nucleotidetransporters (NTT's) op het chloroplastmembraan om de zetmeelsynthese overdag te stimuleren. Bij zonsopgang, terwijl MC's zetmeel beginnen te synthetiseren en sucrose exporteren, breken GC's zetmeel af tot suikers om energie te leveren en de turgordruk voor stomatale opening te verhogen. Daarom is de functie van GCC's om te dienen als een opslag van zetmeel belangrijk voor stomatale opening. Terwijl MC's CO₂ repareren in chloroplasten via de Calvin-Benson-Bassham (CBB) cyclus, CO₂ fixatie in het cytosol is de belangrijkste route van CO₂ assimilatie in GC's, waar het stroomafwaartse product malaat ook een belangrijke opgeloste stof is om de turgordruk voor stomatale opening te verhogen. Concluderend gedragen GC's zich meer als een gootsteen (ontvangen suikers) dan een bron (leveren suikers) weefsel. Hun functie is nauw gecorreleerd met die van MC's om CO₂ . efficiënt te coördineren opname via huidmondjes en CO₂ fixatie in MC's.

"Ik was erg opgewonden toen Dr. Lim contact met me opnam met het verzoek om mee te werken aan dit project," zei Dr. Diana Santelia. "We hebben geprobeerd deze fundamentele vragen op te helderen met behulp van moleculaire genetica-benaderingen. Het combineren van onze respectieve expertise is een winnende strategie geweest", vervolgde ze. Dr. Sheyli LIM, de eerste auteur van het artikel en een voormalig Ph.D. student van de groep van Lim merkte op:"De in planta fluorescentie-eiwitsensoren die we hebben ontwikkeld, zijn krachtige hulpmiddelen voor het visualiseren van dynamische veranderingen van de concentraties van energiemoleculen in individuele plantencellen en organellen, waardoor we enkele belangrijke vragen in de bio-energetica van planten kunnen oplossen. Ik ben blij om publiceer onze ontdekkingen in Nature Communications met behulp van deze nieuwe technologie."