Forstå hvordan planter bruger sollys

Planter er afhængige af energien i sollys for at producere de næringsstoffer, de har brug for. Men nogle gange absorberer de mere energi, end de kan bruge, og at overskud kan skade kritiske proteiner. For at beskytte sig selv, de omdanner den overskydende energi til varme og sender den ud igen. Under nogle forhold, de kan afvise så meget som 70 procent af al den solenergi, de absorberer.

"Hvis planterne ikke spildte så meget af solens energi unødigt, de kunne producere mere biomasse, " siger Gabriela S. Schlau-Cohen, Cabot karriereudviklingsadjunkt i kemi. Ja, forskere anslår, at alger kunne dyrke så meget som 30 procent mere materiale til brug som biobrændstof. Vigtigere, verden kan øge afgrødeudbyttet - en ændring, der er nødvendig for at forhindre det betydelige underskud mellem landbrugsproduktion og efterspørgsel efter fødevarer, der forventes i 2050.

Udfordringen har været at finde ud af præcis, hvordan fotobeskyttelsessystemet i planter fungerer på molekylært niveau, i de første 250 picosekunder af fotosynteseprocessen. (Et picosekund er en trilliontedel af et sekund.)

"Hvis vi kunne forstå, hvordan absorberet energi omdannes til varme, vi kan måske ombygge den proces for at optimere den samlede produktion af biomasse og afgrøder, " siger Schlau-Cohen. "Vi kunne kontrollere den kontakt for at gøre planterne mindre tøvende med at slukke for beskyttelsen. De kunne stadig beskyttes til en vis grad, og selvom nogle få individer døde, der ville være en stigning i produktiviteten for den resterende befolkning."

Første trin i fotosyntesen

Kritiske for de første trin af fotosyntesen er proteiner kaldet lys-høstende komplekser, eller LHC'er. Når sollys rammer et blad, hver foton (lyspartikel) leverer energi, der exciterer en LHC. Den excitation går fra en LHC til en anden, indtil den når et såkaldt reaktionscenter, hvor det driver kemiske reaktioner, der spalter vand til oxygengas, som frigives, og positivt ladede partikler kaldet protoner, som er tilbage. Protonerne aktiverer produktionen af ​​et enzym, der driver dannelsen af ​​energirige kulhydrater, der er nødvendige for at give næring til plantens stofskifte.

Men i skarpt sollys, protoner kan dannes hurtigere, end enzymet kan bruge dem, og de akkumulerende protoner signalerer, at overskydende energi bliver absorberet og kan beskadige kritiske komponenter i plantens molekylære maskineri. Så nogle planter har en speciel type LHC - kaldet et lys-høstkompleks stressrelateret, eller LHCSR - hvis opgave er at gribe ind. Hvis protonopbygning indikerer, at der høstes for meget sollys, LHCSR drejer kontakten, og noget af energien spredes som varme.

Det er en yderst effektiv form for solcreme til planter - men LHCSR er tilbageholdende med at slukke for den slukkende indstilling. Når solen skinner klart, LHCSR har quenching slået til. Når en forbipasserende sky eller flok fugle blokerer for solen, den kunne slukke den og opsuge alt det tilgængelige sollys. Men i stedet, LHCSR lader den være tændt - bare hvis solen pludselig kommer tilbage. Som resultat, planter afviser en masse energi, som de kunne bruge til at bygge mere plantemateriale.

En evolutionær succes

Meget forskning har fokuseret på den slukkemekanisme, der regulerer strømmen af ​​energi i et blad for at forhindre skade. Optimeret af 3,5 milliarder års evolution, dens evner er imponerende. Først, det kan håndtere vildt varierende energitilførsler. På en enkelt dag, solens intensitet kan stige og falde med en faktor på 100 eller endda 1, 000. Og den kan reagere på ændringer, der sker langsomt over tid - for eksempel ved solopgang - og dem, der sker på få sekunder, for eksempel, på grund af en forbipasserende sky.

Forskere er enige om, at en nøgle til quenching er et pigment i LHCSR - kaldet et carotenoid - der kan antage to former:violaxanthin (Vio) og zeaxanthin (Zea). De har observeret, at LHCSR-prøver er domineret af Vio-molekyler under svagt lysforhold og Zea-molekyler under stærkt lysforhold. Konvertering fra Vio til Zea ville ændre forskellige elektroniske egenskaber af carotenoiderne, hvilket kunne forklare aktiveringen af ​​quenching. Imidlertid, det sker ikke hurtigt nok til at reagere på en forbipasserende sky. Den type hurtige ændringer kunne være en direkte reaktion på opbygningen af ​​protoner, hvilket forårsager en forskel i pH fra en region af LHCSR til en anden.

Det har vist sig vanskeligt at afklare disse fotobeskyttelsesmekanismer eksperimentelt. At undersøge adfærden af ​​prøver, der indeholder tusindvis af proteiner, giver ikke indsigt i adfærden på molekylært niveau, fordi forskellige quenching-mekanismer forekommer samtidigt og på forskellige tidsskalaer - og i nogle tilfælde, så hurtigt, at de er svære eller umulige at observere eksperimentelt.

Test af proteiners adfærd én ad gangen

Schlau-Cohen og hendes MIT-kemikolleger, postdoc Toru Kondo og kandidatstuderende Wei Jia Chen, besluttede sig for at tage et andet greb. Med fokus på LHCSR fundet i grønne alger og mos, de undersøgte, hvad der var anderledes ved den måde, hvorpå stress-relaterede proteiner, der er rige på Vio, og dem, der er rige på Zea, reagerer på lys - og de gjorde det et protein ad gangen.

Ifølge Schlau-Cohen, deres tilgang blev muliggjort af arbejdet fra hendes samarbejdspartner Roberto Bassi og hans kolleger Alberta Pinnola og Luca Dall'Osto ved University of Verona, i Italien. I tidligere forskning, de havde fundet ud af, hvordan man oprensede de individuelle proteiner, der vides at spille nøgleroller i quenching. De var således i stand til at levere prøver af individuelle LHCSR'er, nogle beriget med Vio-carotenoider og nogle med Zea-carotenoider.

For at teste responsen på lyseksponering, Schlau-Cohens team bruger en laser til at skinne picosekunders lysimpulser på en enkelt LHCSR. Ved hjælp af et meget følsomt mikroskop, de kan derefter detektere den fluorescens, der udsendes som reaktion. Hvis LHCSR er i quench-on-tilstand, det vil omdanne meget af den indkommende energi til varme og udstøde det. Lidt eller ingen energi vil blive tilbage til at blive genudsendt som fluorescens. Men hvis LHCSR er i quench-off-tilstand, alt det indkommende lys vil komme ud som fluorescens.

"Så vi måler ikke slukning direkte, " siger Schlau-Cohen. "Vi bruger fald i fluorescens som en signatur på quenching. Når fluorescensen falder, slukningen går op."

Ved at bruge den teknik, MIT-forskerne undersøgte de to foreslåede quenching-mekanismer:omdannelsen af ​​Vio til Zea og en direkte reaktion på en høj protonkoncentration.

For at adressere den første mekanisme, de karakteriserede responsen fra de Vio-rige og Zea-rige LHCSR'er på det pulserende laserlys ved hjælp af to mål:intensiteten af ​​fluorescensen (baseret på hvor mange fotoner de detekterer på et millisekund) og dens levetid (baseret på ankomsttiden for de enkelte fotoner).

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.