Indsigt i to sjældne typer fotosyntese kan øge afgrødeproduktionen

Forskere har undersøgt, hvordan visse bakterier udfører fotosyntese ved hjælp af lavenergilys, som kunne manipuleres til afgrøder for at øge produktionen.

Ved at studere den måde, to bakterier udfører fotosyntesens vanskelige kemi på, har et hold ledet af imperialistiske forskere opdaget de afvejninger, de laver, når de bruger lys med lavere energi. Dette kunne informere plantegenteknologi, der sigter mod at gøre afgrøde- og biomasseproduktion mere effektiv.

Planter, alger og cyanobakterier (blågrønalger) udfører fotosyntese for at omdanne lys og CO₂ til sukker og ilt. Et enzym kaldet fotosystem II udfører det første trin i denne proces ved at bruge lys til at udtrække elektroner fra vand og føre dem ind i fotosyntesemaskineriet.

De fleste organismer udfører fotosyntese ved hjælp af synligt lys, som de opsamler takket være et pigment kaldet klorofyl-a. Den energi, der er indeholdt i synligt lys, har i lang tid været betragtet som den mindste energi, der kræves for at udføre den hårde kemi med at udvinde elektroner fra vand.

Der er dog nogle cyanobakterier, der udfører fotosyntese ved hjælp af langt-rødt lys med lavere energi i stedet for synligt lys. At give planter og alger mulighed for at bruge langt rødt lys kan gøre afgrøde- og biomasseproduktion mere effektiv, da fjernt rødt lys er mindre energikrævende og er rigeligt.

Evnen til at bruge både synligt og langt rødt lys under forskellige forhold ville også være en ønskværdig egenskab for afgrødeplanter og alger, men forskerne var nødt til at forstå, om der var nogen kompromiser eller kompromiser i systemer, der kan gøre dette.

Fjern-rød fotosyntese

Holdet studerede cyanobakterier, der udfører fotosyntese ved hjælp af langt rødt lys i stedet for synligt lys. Acaryochloris marina lever under et grønt havsprøjt, skygget for synligt lys, men udsat for stabilt langt rødt lys, som det opsamler ved hjælp af pigmentet klorofyl-d i stedet for klorofyl-a.

Andre nyligt opdagede cyanobakterier kan lave fotosyntese ved hjælp af klorofyl-a, når der er synligt lys, og derefter skifte til at bruge pigmentet klorofyl-f, som også absorberer langt rødt lys, når det skygges for synligt lys.

I 2018 opdagede forskere ledet af et hold hos Imperial, at i en af ​​disse cyanobakterier, Chroococcidiopsis thermalis, kan fotosystem II udføre den hårde kemi ved udelukkende at bruge den lavere energi, der leveres af langt rødt lys.

Nu i en undersøgelse offentliggjort i eLife , har forskere ledet af det samme hold på Imperial vist, at fotosystem II af cyanobakterier, der bruger pigmentet klorofyl-f, er mindre effektivt til at opsamle og bruge langt rødt lys end fotosystem II for dem, der bruger klorofyl-d, men at det er mere beskyttet mod de skadelige bivirkninger af for meget lys.

Ledende forsker professor Bill Rutherford, fra Institut for Biovidenskab ved Imperial, sagde:"Konstruktion af afgrødeplanter eller alger, der kunne bruge fjernrød fotosyntese, kan hjælpe med at øge fødevare- og biomasseproduktionen.

"Vores undersøgelse er et vigtigt første skridt i at forstå afvejningen mellem effektivitet og modstandsdygtighed i systemer, der kan bruge langt rødt lys. Disse indsigter kan hjælpe forskerne med at bestemme, hvilke funktioner der ville være gavnlige, og under hvilke forhold."

Sammenligning af fotosyntese

Holdet fandt ud af, at fotosystemet II i Acaryochloris marina, som lever under konstant skyggefulde forhold og altid bruger klorofyl-d, er effektivt til at indsamle og bruge langt rødt lys. Men når det udsættes for overskydende lys, bliver det overvældet og producerer skadelige reaktive iltarter, som kan dræbe cellerne.

Fotosystemet II af Chroococcidiopsis thermalis, som kun bruger chlorophyll-f, når synligt lys er fraværende eller knap, er mindre effektivt end Acaryochloris marina til at indsamle og bruge langt rødt lys. Men når det udsættes for overskydende lys, overproducerer det ikke skadelige reaktive oxygenarter.

Chroococcidiopsis thermalis' chlorophyll-f-fotosystem II repræsenterer derfor en anden afvejning sammenlignet med chlorophyll-d-fotosystem II i Acaryochloris marina:mindre effektiv fjernrød fotosyntese, men bedre stabilitet og modstandsdygtighed over for skader under stærke lysforhold.

Dr. Stefania Viola, postdoc-forsker ved Institut for Biovidenskab ved Imperial og førsteforfatter af undersøgelsen, sagde:"Vores forskning tyder på, at de to typer fjernrøde fotosystem II betaler en forskellig pris for at kunne arbejde med mindre energi , og at dette bør overvejes, når man planlægger at indføre fjernrød fotosyntese i afgrødeplanter eller alger.

"Det næste skridt for os er at forstå de molekylære og kemiske mekanismer, der er ansvarlige for de funktionelle forskelle mellem de to typer af langt rødt fotosystem II." + Udforsk yderligere

Unikke pigmenter i fotosyntetiske marinebakterier afslører, hvordan den lever i svagt lys