黄瓜是一种广受大众喜爱的蔬菜，或水果。作为一种绿意盎然的夏日水果，其实，它是能够进行光合作用的，概因果皮上的绿色组织。这种果皮上进行的光合作用与叶片的有什么区别呢？ 中国农业大学的 Sui 等通过多种试验手段发现，黄瓜果皮上的叶绿素含量与叶片类似，即使果皮没有像叶片那样的栅栏和海绵组织。黄瓜果皮绿色组织光系统 II (PS II) 的光化学效率也与叶片的类似，但非光化学淬灭（ NPQ ）相对较低。黄瓜光合作用对果实的生物量的贡献高达 9.4% ，果实呼吸产生的二氧化碳的 88% 被重新固定（用于光合作用）。相关研究论文“ The complex character of photosynthesis in cucumber fruit ”已经发表在知名植物学期刊 Journal of Experimental Botany 上。 总体而言，黄瓜光合作用合成的碳还是比较多的（达一成左右），但绿色黄瓜能够进行光合作用应该不是为了合成碳水化合物，碳水化合物的合成应该是叶片的职责。黄瓜之所以是绿色的，与它们“伪装”成叶片的外表从而避免（昆虫等）啃食有关吗？ 我觉得以上推测是极有可能的。如果能在同一生境里发现，不怎么绿色的黄瓜比绿色黄瓜受到动物啃食的概率更大，那么，或能证明以上的猜测。
SCIENCE : 一种新型的光合作用（附原文） 诸平 据海莉 · 邓宁（ Hayley Dunning ）报道，英国、法国、意大利以及澳大利亚的研究人员合作发现了一种新型的光合作用 —— 靠近红外光进行光合作用，相关研究成果于 2018 年 6 月 15 日在《科学》（ Science ）杂志网站发表 —— Dennis J. Nürnberg, Jennifer Morton, Stefano Santabarbara, Alison Telfer, Pierre Joliot, Laura A. Antonaru, Alexander V. Ruban, Tanai Cardona, Elmars Krausz, Alain Boussac, Andrea Fantuzzi, A. William Rutherford. Photochemistry beyond the red limit in chlorophyll f–containing photosystems, Science , 15 Jun 2018, Vol. 360, Issue 6394, pp. 1210-1213 . DOI: 10.1126/science.aar8313 . Photochemistry beyond the red limit in chlorophyll f–containing photosystems.pdf 参与此项研究的研究人员分别来自英国 伦敦帝国理工学院生命科学系 (Department of Life Sciences, Imperial College London ) 、 伦敦玛丽皇后大学（ Queen Mary University of London ） ; 澳大利亚国立大学（ ANU ）化学学院、意大利国家研究委员会（ Consiglio Nazionale delle Ricerche ）、法国巴黎第六大学（ Université Pierre et Marie Curie ）以及法国生物科学研究所（ Institut de Biologie Intégrative de la Cellule ）。图 1 是 澳大利亚的赫伦岛（ Heron Island, Australia ）海滩岩石的横截面图片。它显示了在岩石表面之下几毫米处含有叶绿素 f 的蓝色菌（图片中的绿带）。 Fig. 1 Cross-section of beach rock (Heron Island, Australia) showing chlorophyll-f containing cyanobacteria (green band) growing deep into the rock, several millimetres below the surface. Credit: Dennis Nuernberg 这一发现改变了我们对光合作用基本机制的理解，教科书中的相关内容应该重写；它还将调整我们寻找外星生命的方式，并为如何设计更高效的作物品种提供了参考，因为这些新品种作物可以利用较长波长的光进行光合作用。这一发现由伦敦帝国理工学院研究人员领导的，并得到了 BBSRC 的支持，还包括来自澳大利亚首都堪培拉的 ANU （ ANU in Canberra ）、法国巴黎的法国科学研究中心（ CNRS ）、澳大利亚米兰的 CNR 等机构。 地球上绝大多数的生命都在光合作用过程中使用可见光，但这种新类型光合作用使用的是近红外光。它广泛存在的蓝藻细菌即蓝绿藻（ cyanobacteria ， blue-green algae) ）中，在荫蔽条件下，它们也可以借助近红外光生长，如黄石公园的细菌垫（ bacterial mats in Yellowstone ） 和澳大利亚的海滩岩上就有这种藻类。 正如科学家们现在所发现的，它甚至也发生在伦敦帝国理工学院的一个装有红外 LED 的碗柜里。 超越红色极限的光合作用 除了红色限制之外的光合作用，标准的、近乎普遍的光合作用使用绿色颜料即叶绿素 a （ chlorophyll-a ），既能收集光线，又能利用其能量制造有用的生物化学物质和氧气。叶绿素 a 吸收光的方式意味着只有来自红光的能量才能用于光合作用 。 由于叶绿素 a 存在于我们所知的所有植物、藻类和蓝细菌中，人们认为红光的能量为光合作用设定了 “ 红色极限 ”; 也就是说，制造氧气的相关化学反应所需的最低能量。在天体生物学中，红色极限被用于天体生物学，来判断复杂的生命是否可以在其他太阳系的行星上进化。然而，当一些蓝藻细菌在近红外光下生长时，含有标准的叶绿素 a 系统关闭了，不同的系统包含了不同种类的叶绿素，叶绿素 -f （ chlorophyll-f ）代替叶绿素 a 进行光合作用。 直到现在，人们还认为叶绿素 -f 只是获得了光。新的研究表明，在荫蔽或者光线较暗的条件下，叶绿素 -f 在光合作用中起着关键作用，利用低能量的红外线来进行复杂的化学反应，这就是 “ 超越红色极限 ” 的光合作用。来自英国伦敦帝国理工学院生命科学系的首席研究员比尔 · 卢瑟福（ Bill Rutherford ）教授说： “ 新的光合作用形式让我们重新思考我们认为可能的事情。它还改变了我们对标准光合作用核心的关键事件的理解。这使得教科书上的相关内容也需要修改了。 ” Fig. 2 Colony of Chroococcidiopsis -like cells where the different colours represent photosynthesis driven by chlorophyll-a (magenta) and chlorophyll-f (yellow). Credit: Dennis Nuernberg 图 2 是类拟色球藻属（ Chroococcidiopsis -like ）细胞的克隆图片。其中不同颜色代表由叶绿素 a （品红色）和叶绿素 f （黄色）驱动的光合作用。 防止光损害 另一种蓝藻细菌 —— Acaryochloris ，已经被认为可以利用红色极限之外的光线进行光合作用。然而，由于它只存在于这一物种之中，具有一个非常特定的栖息地，它被认为是 “ 一次性的 ” 。 . Acaryochloris 生活在一种绿色的海鞘下，大部分可见光被遮挡，只留下近红外线。 丹尼斯 · 纽伦堡（ Dennis J. Nürnberg ）等人在《科学》杂志 报道的叶绿素光合作用是第三种广泛的光合作用。然而，它只在特殊的红外阴影条件下使用 ; 在正常的光照条件下，使用标准的红色光进行光合作用。人们认为光的伤害会比红色限制更加严重，但是新的研究表明，在稳定的隐蔽环境中，它不是一个问题。该研究的作者之一，来自英国伦敦帝国理工学院生命科学系的安德里亚 · 凡图齐（ Andrea Fantuzzi ）博士说： “ 找到一种超出红色界限的光合作用，改变了我们对光合作用 能量需求的理解，也提供了对光能量利用的新认识以及这些蓝细菌如何保护自己不受光线亮度变化所造成伤害的机制。 “ 这些见解对于试图通过使用更大范围的光来设计作物，以便进行更有效的光合作用的研究人员来说是有用的。 修订教科书内容 在新系统中，可以看到比以前在标准叶绿素 a 系统中看到的更详细的信息。通常被称为 “ 附属 ” 的叶绿素，实际上是在执行关键的化学步骤，而不是教科书所描述的在配合体中心里的叶绿素 “ 特殊的配对 ” 。这表明这种模式适用于其他类型的光合作用，这将改变教科书中关于光合作用的主要形式的观点。 该研究的第一作者、同时也是此项研究的发起人丹尼斯 · 纽伦堡博士说： “ 我不认为我对蓝藻细菌及其多样化生存方式的兴趣会使我们对光合作用的理解发生重大改变。在大自然中仍在等待被发现的东西是令人惊奇的。英国广播公司的前沿生物科学研究中心的彼得 · 伯林森（ Peter Burlinson ）说： “ 这是光合作用的一个重要发现，此过程在养活世界的作物的生物学中起着至关重要的作用。像这样的发现突破了我们对生命的理解，比尔 · 卢瑟福教授和英国伦敦帝国理工学院的研究团队应该得到祝贺，因为他们揭示了光合作用基础过程的一个新视觉。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。 Explore further: Photosynthetic protein structure that harvests and traps infrared light
长期以来，人们认为植物失水的主要途径是通过植物叶片的气孔，而叶片的表皮失水几乎可以忽略不计。根据最新的研究进展，科学家们忽略计算植物叶片水分损失中的这样一个误差，可能对估算植物通过光合作用所产生的能量带来偏差，这也可能危及全球气候模型，而且当植物处于供水严重不足的条件时，这些错误会显得特别明显 。 碳循环与水循环是陆地生态系统重要的生物化学过程和水文过程，同时它们的变化又可以反映陆地生态系统对气候变化的响应和适应过程。理论上，陆地生态系统的碳循环与水循环并非各自独立碳，而是相互制约的。从叶片水平来说，植物在进行光合作用时，气孔张开以便吸收大气中的二氧化碳，当水分丰富时，叶片气孔尽量张开以便让更多二氧化碳进入，使光合作用最大化，而随着气孔的张开，植物的水分又因蒸腾作用而损失。如果水分比较贫乏，或者发生水分胁迫时，叶片又会通过关闭气孔来阻止光合作用 。也就是说，植物气孔的活动会在获取更多的碳和失去更少的水分之间进行权衡（图）。虽然植物也可以通过叶片的表皮失水，但相比前者几乎可以忽略不计。因此，大多数研究人员认为，植物叶片水分损失与二氧化碳吸收之间存在一定的“耦合”，并将之推广到计算二氧化碳进入叶片的通量中。 图 气孔开闭与碳水之间的权衡 测量叶片内部的二氧化碳需要繁琐的专门定制设备，而叶片水分损失则容易测定，所以野外研究人员一般通过测定叶片水分损失来计算二氧化碳浓度。一旦获得了叶片中二氧化碳浓度，就可以计算出植物将之转化为能源物质的有效性，这是初级生产力的重要组分，也是一些气候模型的重要因子。 这种计算是基于通过气孔的水分流失的，忽视了直接通过表皮的水汽蒸发。最近的实验表明，当水充足时，该近似结果是可行的，但当水分很少时，气孔会关闭，就有很大比例的水分通过表皮蒸发。如果这一点不能进行调整，可能就难于计算植物在光合作用过程中如何将CO 2 转化为糖。也就是说，在气孔关闭的条件下，继续忽略叶片表皮水蒸发可能是一个巨大的错误。 2015年，Hanson首先意识到了这个问题，在一次研讨会上，Hanson用数据展示了叶片细胞的性质如何限制其对二氧化碳的捕获，Boyer为他提供了另外一个解释——通过表皮的水分损失，并描述了他实验室在1980年代所收集的数据，那个时候几乎没有引起什么注意。Boyer的研究小组发现，当水分丰富、气孔张开时，叶片表皮损失的水分会使向日葵叶中二氧化碳浓度的计算偏高15%。当气孔完全关闭时，预测的二氧化碳浓度比叶片内直接测定的值高六倍。 叶片内的二氧化碳是气候模型的核心特征，也有助于人们理解光合作用是如何运作的。于是，接着六个月时间，Hanson就着手进行第一个测量。显然，这里尽量消除测量误差显然是很重要的，所以Hanson也试图简化测量方法，以便其他实验室也可以按照同样的方法进行更多测试。 当然也有反对的意见。植物生理学家Donald Ort说，这个问题虽然很有趣，但可能意义不大，因为只有在极度干旱的条件下，通过表皮的水分损失才会显得比较重要。对于全球的初级生产力估算来说，应该没有什么影响。 Hanson反驳说，在他尚未发表的一项有关油菜（ Brassica napus ）的研究中，由于没有考虑到表皮水分损失的问题，结果即使在水分条件良好的情况下，也高估了水分通过气孔损失达12.6%。 点评：从生态系统水平来看，除了植物呼吸，土壤呼吸还通过土壤孔隙向大气释放二氧化碳，同时也伴随物理性蒸发和生物蒸腾作用将水分散失到空气中，因此陆地生态系统中碳、水循环通过光合作用、呼吸作用以及蒸发散过程构成了更为复杂的联系。 参考资料 Overlooked water loss in plants could throw off climate models, Nature 546, 585–586 (29 June 2017) doi:10.1038/546585a Kurc, S. A., and E. E. Small (2007), Soil moisture variations and ecosystem-scale fluxes of water and carbon in semiarid grassland and shrubland, Water resources research , 43(6), W06416. Luxmoore, R. J. (1991), A source–sink framework for coupling water, carbon, and nutrient dynamics of vegetation, Tree Physiology , 9(1-2), 267-280.
瑞典林雪平大学 有机电子实验室（ Laboratory forOrganic Electronic ， Linkping University ） 通过一种具有导电性可溶聚合物 把电子设备编入天然植物的导管系统，研究了将光合作用转化为电能的电子植物。 Using semi-conductive polymers, both analog and digital electronic circuits can be created inside living flowers, bushes and trees, as researchers at Linkping University Laboratory for Organic Electronics have shown. The results are being published in Science Advances . With the help of the channels that distribute water and nutrients in plants, the research group at the Laboratory for Organic Electronics, under the leadership of Professor Magnus Berggren, have built the key components of electronic circuits. In an article in Science Advances , they show how roses can produce both analog and digital electronic circuits, which over the long term could be used, for example, to regulate the plant’s physiology. Traditional electronics send and process electronic signals, while plants transport and handle ions and growth hormones. In organic electronics, based on semi-conductive polymers, both ions and electrons can serve as signal carriers. With the help of organic electronics it therefore becomes possible to combine electric signals with the plant’s own, as if translating the plant's signals into traditional electronics. With inexpensive organic electronics integrated into plants, a long range of possibilities opens up – such as utilizing energy from photosynthesis in a fuel cell, or reading and regulating the growth and other inner functions of plants. “Previously, we had no good tools for measuring the concentration of various molecules in living plants. Now we'll be able to influence the concentration of the various substances in the plant that regulate growth and development. Here, I see great possibilities for learning more,” says Ove Nilsson, professor of plant reproduction biology at the Ume Plant Science Center and co-author of the article. Since the beginning of the 1990s , Magnus Berggren – professor of Organic Electronics at Linkping University's Norrkping campus – has been researching printed electronics on paper. Now and then the idea of putting electronics into the tree itself cropped up, but research funders were indifferent. Thanks to independent research money from the Knut and Alice Wallenberg Foundation at the end of 2012, Professor Berggren could hire three researchers with new doctorates: Roger Gabrielsson, Eleni Stavrinidou and Eliot Gomez. The task was to investigate – with the help of the more senior researchers at Linkping University and the Ume Plant Science Center – whether it was possible to introduce and even produce electronics in plants. The answer, in other words, was yes. In just about two years, the research group succeeded in getting plants to produce both analog and digital circuits. Mr Gabrielsson found the polymer PEDOT-S, which turned out to be soluble in water. When it was absorbed into a rose, for example, it was converted into a hydrogel, which – suitably enough – forms a thin film along the channel through which the flower absorbs water and nutrients. Ms Stavrinidou then succeeded in getting the plants to produce ten-centimeter segments, 50 cm thick, of membranes – or film – of the conductive polymer. With an electrode at each end and a gate in the middle, an analog transistor was created. “We've produced the perfect measurement values, which show that it really is a fully functional transistor,” Ms Stavrinidou says. She has measured the conductive ability of the polymer from 0.13 siemens/cm all the way up to 1 siemens/cm. Mr Gomez used another method common in plant biology – vacuum infiltration – to send another PEDOT variant together with nanocellulose fibres into the foliage of the rose. The cellulose forms a 3-D structure with small cavities – like a sponge – inside the rose leaf, and the cavities are filled with the conductive polymer. Electrochemical cells are thus formed with a number of pixels, partitioned by the veins. The electrolytes come from the fluid in the leaf. This means that the leaf functions in somewhat the same way as the printed character display on a roll that is manufactured at Acreo Swedish ICT in Norrkping. “We can create electrochromatic plants in which the leaves change color – it's cool, but maybe not so useful,” Mr Gomez says. But what is otherwise a weakness of organic electronics – the cold and the wet – is solved by the plant when it encapsulates the polymer and protects it from wind and weather. “It seems as if the polymers we use had been created for their function,” Mr Gabrielsson states. Professor Berggren sees an entirely new field of research: “Now we can really start talking about ‘power plants’ – we can place sensors in plants and use the energy formed in the chlorophyll, produce green antennas or produce new materials. Everything occurs naturally, and we use the plants’ own very advanced, unique systems,” he says. “As far as we know, there are no previously published research results regarding electronics produced in plants. No one’s done this before,” Professor Berggren states. The research group at the Laboratory of Organic Electronics, from the left Daniel Simon, Roger Gabrielsson, Eleni Stavrinidou, Eliot Gomez and Magnus Berggren. Xavier Crispin is missing. Article: Electronic Plants, Eleni Stavrinidou, Roger Gabrielsson, Eliot Gomez, Xavier Crispin, Ove Nilsson, Daniel T Simon, Magnus Berggren, Science Advances, DOI 10.1126/sciadv.1501136 Siemens is the SI unit for conductance, or conductivity. https://www.liu.se/forskning/forskningsnyheter/1.660308?l=en
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