地球上的所有生命最终都依赖于来自太阳的能量，光合作用是至关重要的环节。光合作用产生三磷酸腺苷(ATP)，它是生物体中的通用分子燃料。一个国际研究团队开发了一种可视化活植物中ATP的方法，并观察到成熟的植物叶绿体在很大程度上与其他细胞空间隔离开来管理其ATP。结果确定了植物有效利用其能源的策略，这可以为未来的作物育种提供信息。

他们的观察表明，只有非常年轻的拟南芥叶片中的叶绿体可以从细胞质中输入ATP以支持叶绿体发育，而ATP进入成熟叶绿体以支持CO2固定的速率可以忽略不计。这种发育转变可能是重要的，以便在光合作用不运作时限制夜间无用的ATP消耗。

“我们发现叶绿体中ATP的浓度明显低于成熟光合细胞的细胞质，”研究的主要作者，香港大学生物科学学院的Boon Leong Lim博士说。“尽管叶绿体是植物细胞中的关键能量收集器和生产者，但它对ATP的需求也非常高。照明会立即增加叶绿体ATP浓度，但在光照停止后它会很快降至基础水平。我们的结果表明需要在黑暗中限制成熟叶绿体中的ATP消耗。成熟叶肉叶绿体的主要工作是收获能量和输出糖以支持植物在光照下生长。然而，在黑暗中必须避免浪费的能量消耗。美国国家科学院院刊。

共同作者德克萨斯A&M大学的Wayne K. Versaw博士和Abira Sahu博士说：“完整植物的实时成像提供了空间和时间分辨率，揭示了不同细胞区室如何合作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。利用从太阳光中收集的能量，水分子分裂成质子，氧和电子。电子通过光系统以将NADP +还原为NADPH。与水分裂一起，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。为了在叶绿体中固定一个CO2分子，消耗3个ATP和2个NADPH分子。然而，LEF每2 NADPH仅产生2.57个ATP分子。必须满足ATP的不足才能使光合作用有效运作。一篇发表在“自然”杂志上在2015年(524：366-369)表明，单细胞硅藻中的叶绿体可以导入细胞溶质ATP以支持碳固定。

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输入ATP来补充对CO2固定的需求。相反，减少当量的出口是关键保持光合作用所需的最佳ATP / NADPH比例。否则，叶绿体中NADPH的积累将阻碍光合作用。“

“在不同细胞区室之间以空间分辨率研究活细胞中新陈代谢的能力是向前迈出的一大步，并将显着增加我们对细胞如何运作的理解。我特别感兴趣的是对线粒体贡献的影响。光合新陈代表“合作者Umeå大学的PerGardeström教授说。

共同作者明斯特大学的MarkusSchwarzländer教授补充说：“该研究使我们更接近了解细胞如何优化细胞在不同细胞器中的操作条件。我发现植物能量代谢的效率如何得以保持，以及如何保持特别有趣这似乎是动态调整的。