Forskere har opdaget, hvordan mos og grønalger kan beskytte sig mod for meget sol. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Fotosyntese, som gør det muligt at omdanne energi fra solen til livsvarige sukkerarter, kan også være farligt for grønne planter. Hvis de absorberer for meget sollys, den ekstra energi ødelægger deres væv.
For at bekæmpe dette, grønne planter har udviklet en forsvarsmekanisme kendt som fotobeskyttelse, som giver dem mulighed for at sprede den ekstra energi. Forskere fra MIT og University of Verona har nu opdaget, hvordan det centrale protein i denne proces gør det muligt for mos og grønalger at beskytte sig mod for meget sol.
Forskerne fandt ud af, at proteinet, indlejret i membranerne i kloroplasten, kan skifte mellem forskellige tilstande som reaktion på ændringer i sollys. Når mos og grønalger absorberer mere sollys, end de har brug for, dette protein frigiver energien som varme, forhindrer den i at opbygge og beskadige cellerne. Proteinet kan virke inden for få sekunder efter en ændring i solens eksponering, som når solen dukker op bag en sky.
"Disse fotobeskyttelsesmekanismer har udviklet sig fra det faktum, at sollys ikke er konstant. Der er solskinsdage; der er overskyede dage. Skyer kan kortvarigt gå over, eller planten kan være forbigående i skyggen, "siger Gabriela Schlau-Cohen, en MIT -assisterende professor i kemi og seniorforfatteren af undersøgelsen.
At lære mere om, hvordan dette protein virker, kan give forskere mulighed for at ændre det på en måde, der fremmer mere fotosyntese, potentielt øge biomasseudbyttet af både afgrøder og alger, der dyrkes til biobrændstoffer, Schlau-Cohen siger.
MIT postdoc Toru Kondo er hovedforfatter af papiret, som fremgår af 17. juli -udgaven af Naturkemi . Andre forfattere er MIT -kandidatstuderende Wei Jia Chen og University of Verona -forskere Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto, og Roberto Bassi.
For meget af det gode
Under fotosyntesen, specialiserede proteiner kendt som lyshøstkomplekser, ved hjælp af pigmenter som klorofyl, absorberer lysenergi i form af fotoner. Disse fotoner driver en række reaktioner, der producerer sukkermolekyler, gør det muligt for planter at lagre energi til senere brug.
De fleste planter absorberer langt mere sollys, end de rent faktisk kan bruge. Under meget solrige forhold, de konverterer kun omkring 30 procent af det tilgængelige sollys til sukker, mens resten frigives som varme.
"Under solrige forhold, planterne har energi siddende, der er for meget til kapaciteten i resten af det molekylære maskineri, "Siger Schlau-Cohen
Hvis denne energi får lov at forblive i plantecellerne, det skaber skadelige molekyler kaldet frie radikaler, der kan beskadige proteiner og andre vigtige cellulære molekyler.
Det blev opdaget for flere år siden, at et protein kaldet light-harvesting complex stress-related 1 (LHCSR1) er den største spiller inden for fotobeskyttelse, der forekommer over korte tidsskalaer (sekunder til minutter) i grønne alger og mos. Dette protein er indlejret i membranerne i kloroplasten og interagerer med klorofyl og carotenoider, en anden type lysabsorberende pigment. Imidlertid, mekanismen for, hvordan denne fotobeskyttelse fungerer, var ikke kendt.
I dette studie, Schlau-Cohen og hendes kolleger brugte et meget følsomt mikroskop, der kan analysere enkeltproteiner for at bestemme, hvordan LHCSR1-proteinet, der findes i mos, reagerer på forskellige lysforhold. De opdagede, at proteinet kan antage tre forskellige konformationer, der svarer til forskellige funktioner.
Under skyet eller skyggefulde forhold, LHCSR1 absorberer simpelthen fotoner og sender energien videre til resten af det fotosyntetiske maskineri. Når solen kommer ud og energiindtaget stiger, LHCSR1 skifter til en anden konformation inden for få sekunder. Denne switch skyldes et fald i pH, som opstår når for mange hydrogenioner genereres ved vandspaltning under fotosyntesen.
Når dette sker, proteinet bliver låst fast i en stiv struktur, der gør det muligt at omdanne mere af den absorberede lysenergi til varme, gennem en mekanisme, der ikke er fuldt ud kendt.
Fotobeskyttelse kan også aktiveres mere gradvist af en anden feedbackmekanisme, der involverer pH. Et fald i pH aktiverer et enzym, der ændrer den molekylære sammensætning af et carotenoid, der interagerer med LHCSR1. Dette får proteinet til at favorisere og stabilisere dets fotobeskyttende tilstand.
"Begge disse tilstande styres af en feedback -loop i organismen. PH -værdien er en kort tidsreaktion, og den molekylære sammensætning er en længere tidsskala respons, "Siger Schlau-Cohen.
Fremme af fotosyntesen
Grønne planter har en tendens til at tænde fotobeskyttelse meget hurtigt som reaktion på solen, og de er langsomme til at slukke den, Schlau-Cohen siger. Det hjælper planter med at overleve, men det betyder, at de ikke producerer så meget biomasse, som de kunne. En undersøgelse, der blev offentliggjort i Science i november sidste år, viste, at fremskyndelse af planternes evne til at slukke for fotobeskyttelse kunne øge produktionen af biomasse med 15 procent under naturlige feltforhold.
Schlau-Cohens kolleger ved University of Verona opretter nu muterede versioner af LHCSR1proteinet, som forskerne planlægger at teste for at se, om de har evnen til at producere mere biomasse, mens de stadig tilbyder en vis fotobeskyttelse.
"Fotobeskyttelse er afgørende for fitness, Så hvis du sletter fotobeskyttelse helt, vokser de ikke særlig godt, "Siger Schlau-Cohen." Vi kan se på, hvilke dele af denne proces der er ansvarlige for hvilke dele af den fotobeskyttende sløjfe, og så kan vi være lidt klogere på, hvad vi overudtrykker, og hvad vi slår ud. "
Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.