Se le cellule di guardia (GC) effettuano la fotosintesi è stato dibattuto per decenni. Studi precedenti hanno suggerito che i cloroplasti delle cellule di guardia (GCC) non possono riparare la CO₂ ma studi successivi hanno sostenuto il contrario. Fino a poco tempo, è rimasto controverso se i GCC e/o la fotosintesi dei GC svolgano un ruolo diretto nei movimenti stomatici. Il dottor Boon Leong LIM, professore associato della School of Biological Sciences dell'Università di Hong Kong (HKU), in collaborazione con la dott.ssa Diana SANTELIA dell'ETH di Zurigo, ha scoperto la vera fonte di carburante dei GC e ha districato il mistero. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Communications .

Al mattino, la luce del sole fa aprire gli stomi, che sono minuscoli pori sulle foglie delle piante. Questo lascia CO₂ in e O₂ per aumentare la fotosintesi. L'apertura degli stomi consuma una grande quantità di adenosina trifosfato (ATP), la valuta dell'energia cellulare, ma le fonti di ATP per l'apertura degli stomi sono rimaste oscure. Alcuni studi hanno suggerito che i GCC svolgono la fotosintesi ed esportano l'ATP nel citosol per stimolare l'apertura degli stomi. Nei cloroplasti mesofillici, ATP e NADPH (nicotinamide-adenina dinucleotide fosfato) sono generati da fotosistemi, che vengono utilizzati come combustibile per fissare la CO₂ .

Impiegando sensori proteici a fluorescenza planta, il team del Dr. Boon Leong Lim dell'HKU è stato in grado di visualizzare la produzione in tempo reale di ATP e NADPH nei cloroplasti delle cellule mesofille (MCC) di una pianta modello, Arabidopsis thaliana. "Tuttavia, non siamo stati in grado di rilevare alcuna produzione di ATP o NADPH nei GCC durante l'illuminazione. Perplessi da questa osservazione inaspettata, abbiamo contattato un'esperta nel metabolismo delle cellule di guardia, la dott.ssa Diana Santelia dell'ETH Zürich, per una collaborazione", ha affermato la dott.ssa Lim. Negli ultimi dieci anni, il laboratorio Santelia ha fornito approfondimenti importanti e approfonditi sul metabolismo dell'amido e dello zucchero nelle cellule di guardia (GC) che circondano i pori stomatici sulla superficie fogliare.

In sforzi congiunti, il team mostra che, a differenza delle cellule mesofille (MC), la fotosintesi GC è scarsamente attiva. Gli zuccheri sintetizzati e forniti dai MC vengono importati nei GC e consumati dai mitocondri per generare ATP per l'apertura stomatica. A differenza degli MCC, i GCC assorbono l'ATP citosolico tramite i trasportatori nucleotidici (NTT) sulla membrana del cloroplasto per energizzare la sintesi dell'amido durante il giorno. All'alba, mentre le MC iniziano a sintetizzare l'amido ed esportare saccarosio, le GC degradano l'amido in zuccheri per fornire energia e aumentare la pressione del turgore per l'apertura stomatica. Quindi, la funzione dei GCC di fungere da deposito di amido è importante per l'apertura stomatica. Mentre gli MC risolvono CO₂ nei cloroplasti tramite il ciclo Calvin–Benson–Bassham (CBB), CO₂ la fissazione nel citosol è la via principale della CO₂ l'assimilazione nei GC, dove il prodotto a valle malato, è anche un soluto importante per aumentare la pressione del turgore per l'apertura stomatica. In conclusione, i GC si comportano più come un pozzo (ricevono zuccheri) che come un tessuto fonte (forniscono zuccheri). La loro funzione è strettamente correlata a quella degli MC per coordinare in modo efficiente CO₂ assorbimento tramite stomi e CO₂ fissazione negli MC.

"Ero molto entusiasta quando il dottor Lim mi ha contattato chiedendomi di collaborare a questo progetto", ha detto la dottoressa Diana Santelia. "Abbiamo cercato di chiarire queste domande fondamentali utilizzando approcci di genetica molecolare. Combinare le nostre rispettive competenze è stata una strategia vincente", ha continuato. La dottoressa Sheyli LIM, la prima autrice dell'articolo ed ex dottore di ricerca. studente del gruppo di Lim ha osservato:"I sensori proteici a fluorescenza in planta che abbiamo sviluppato sono potenti strumenti per visualizzare i cambiamenti dinamici delle concentrazioni di molecole di energia nelle singole cellule vegetali e negli organelli, che ci consentono di risolvere alcune domande chiave nella bioenergetica delle piante. Sono felice di pubblicare le nostre scoperte in Nature Communications utilizzando questa nuova tecnologia."