Proč byly Chl a a b vybrány v pozemském prostředí?
Absorpční spektrum Chl a vykazovalo konzistentní tendenci vyhýbat se PARdir a vytváří konzistentní záporné re a rp PARglb, zatímco Chl b má tendenci absorbovat PARdiff, což naznačuje, že Chl a se může účinně vyhýbat silnému, přímému slunečnímu záření a Chl b může účinně využívat rozptýlené sluneční záření. Tyto rozdíly jsou způsobeny mírnými posuny polohy a šířky pásů absorpčních píků v modré a červené oblasti (obr. 1a), přičemž vysoká účinnost absorpce Chl b pro PARglb v terestrickém prostředí souvisí s tím, že má vyšší Soretův absorpční pás než Chl a a nejdelší Soretovu vlnovou délku mezi Chl pigmenty (cca 452 nm v diethyletheru; Mimuro et al. 2011). Takové funkční rozdíly mezi fotosyntetickými pigmenty se zdají být zcela adaptivní pro život v terestrickém radiačním prostředí a naznačují, že předchůdci zelených řas byli vybráni z mnoha jiných fotosyntetických organismů žijících ve vodním prostředí s odlišnými fotosyntetickými pigmenty (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).
Kunugi et al. (2016) naznačili, že vyřazení Chl b z jádra antén PSI významně přispělo k evoluci terestrických zelených rostlin. Abychom tento koncept rozšířili, analyzovali jsme absorpční spektra Chl c1 a d. Chl c1 je běžná forma Chl c. Je široce rozšířená mezi sekundárními endosymbionty pocházejícími z červených řas a je vhodná pro světelné podmínky jejich mořských stanovišť (Garrido et al. 1995). Chl c funguje spolu s Chl a a karotenoidy jako světlosběrné pigmenty. Chl a vykazuje pouze slabou absorbanci mezi 450 a 650 nm, zatímco Chl b nebo c vykazují zvýšenou absorbanci v tomto rozsahu na dlouhém i krátkém konci vlnové délky (Kirk 2011). Re pro PARdir a PARdiff Chl c1 byly podobné jako u Chl b, ale její hodnoty rp, zejména v zamračený den, byly nižší než u Chl b (obr. 5g, h). Hodnoty rp a re pro PARglb Chl c1 ležely mezi hodnotami Chl a a b (obr. 7). Absorpční pík Chl c1 na konci dlouhých vlnových délek je výrazně menší než u Chl b (obr. 1a); absorpce fotonů Chl c1 v oblasti dlouhých vlnových délek se tak stává mnohem nižší než u Chl b. V důsledku toho Chl c1 nepřekonává Chl b jako pigment sklízející světlo v terestrickém prostředí, kde se hojně vyskytují fotony delších vlnových délek.
Chl d se vyskytuje pouze u několika málo sinic obývajících vodní prostředí (Kashiyama et al. 2008) a tvoří součást komplexu světelného reakčního centra, nikoliv se vyskytuje pouze jako doplňkový pigment (Mielke et al. 2011). Zajímavé je, že hodnoty rp a re Chl d trvale leží mezi hodnotami Chl a a b a zůstávají relativně konstantní bez ohledu na třídu PAR (obr. 5, 7). Zdá se tedy, že vodní Chl d by se příliš nehodila do terestrického prostředí s přímým difuzním zářením, protože její absorpční charakteristiky by byly nevyhovující pro vyhýbání se slunečnímu záření nebo jeho shromažďování.
Poznamenejme, že v současné studii jsme použili spektrální data Chls posunutá o + 10 nm, aby odrážela proteinové prostředí (obr. 1a). Je však zajímavé, že tento korigovaný soubor dat měl ve srovnání s předchozím výzkumem (Kume et al. 2016) podobnou, ale poměrně slabou korelaci se spektrálním slunečním zářením.
Jaká je výhoda tvorby pigment-proteinových komplexů?
Spektrum dopadajícího záření určuje účinnost absorpčních spekter pigmentů, ale biosyntéza Chl a její regulace u embryofytů závisí na: druhu rostliny, vývojovém stadiu a faktorech prostředí, jako jsou světelné podmínky, teplota a složení okolní atmosféry. Tvorba chlorofylu tedy může být regulována na různých úrovních. Je dobře známo, že poměr Chl a/b se zvyšuje v nezastíněných podmínkách (tj. při vysoké expozici PARdir) a snižuje v zastíněném prostředí (tj. při zvýšeném relativním PARdiff). Tento jev se vyskytuje ve všech velikostech měřítka, od intrachloroplastu (Anderson et al. 1988) přes listy (Terashima 1989) až po celou rostlinu (Bordman 1977). Kume a Ino (1993) navíc pozorovali jasné sezónní změny v poměru Chl a/b v listech stálezelených listnatých keřů. Chl a karotenoidy v rostlinných thylakoidních membránách tvoří pigment-proteinové komplexy. Chl b se vyskytuje výhradně v LHC, které fungují jako periferní antény (Kunugi et al. 2016). U zelených rostlin je velikost antény PSII určena množstvím LHCII (Jansson 1994; Tanaka a Tanaka 2011) a hladiny LHCII jsou vysoce korelovány s akumulací Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), který je syntetizován z Chl a pomocí chlorofylid a oxygenázy (Tanaka a Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Když rostliny rostou při nízké intenzitě světla, zvyšuje se syntéza Chl b a zvětšuje se velikost antén (Bailey et al. 2001). Vzhledem k tomu, že LHCII je hlavní světlosběrný komplex rostlin a nejhojnější membránový protein, může absorpční spektrum trimeru LHCII představovat průměrné absorpční spektrum chloroplastů (Kume 2017). Absorpční spektrum LHCII se výrazně liší od samostatné molekuly Chl nebo jádra fotosystémů, zejména pokud jde o sekundární absorpční pík, který se vyskytuje při 472 nm s ramenem při 653 nm (obr. 1b).
Zabránění nadměrné absorpci energie ve fotosystémech je zásadní strategií přežití v suchozemském prostředí, kde je atmosférická koncentrace CO2 příliš nízká na to, aby se dopadající sluneční záření bezpečně využilo k fotosyntéze, a hustota fotonového toku může kolísat o několik řádů (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) zjistili, že spektrální absorbance Chl a je silně negativně korelována se spektrální intenzitou záření PARglb v poledne, a Kunugi et al. (2016) ukázali, že vyloučení Chl b z jádra tykadel je klíčové pro podporu odolnosti vůči vysokému osvětlení. V této studii jsme zjistili, že jádra PSI a PSII, která neobsahují Chl b, vykazují při PARdir silně negativní hodnoty re a rp a že tyto hodnoty mají tendenci být negativnější než hodnoty pro Chl a. Přidání LHCI, která obsahuje Chl b, k PSI za vzniku PSI-LHCI však vedlo ke zvýšení re, zatímco trimer LHCII, který má nejnižší poměr a/b, vykazoval nejvyšší hodnoty re. Tyto rozdíly byly způsobeny především rozdíly v absorbanci v okolí vlnového pásma 470 nm (obr. 1b, 8). Zvýšení Chl b v LHC zvyšuje absorbanci ve vysokém vlnovém pásmu SIR spíše než ve vysokém vlnovém pásmu SPFD.
Souvislosti mezi spektrální absorbancí trimeru komplexu sklízejícího světlo II (LHCII), fotosystému I (PSI)-LHCI a jádra PSI a spektrální ozářeností (a) přímého slunečního fotosynteticky aktivního záření (PAR) a (b) rozptýleného slunečního PAR v poledne. Na ose y je vynesena spektrální absorbance a na ose x spektrální ozáření v intervalech 3,35 nm v pásmu 400-680 nm. Body s po sobě jdoucími vlnovými délkami jsou spojeny čarou. Body s nejkratší (400 nm) a nejdelší (680 nm) vlnovou délkou jsou označeny čtverci a křížky. Vodorovné přerušované čáry označují absorbance jednotlivých fotosystémů při vlnové délce 570 nm a svislé šipky označují rozdíl mezi nimi, který je způsoben především množstvím Chl b obsaženého v jednotlivých fotosystémech nebo anténách
Spektra fotosystémů a LHC jsou důsledně upravena tak, aby se vyhnula vysokému vlnovému pásmu SPFD (obr. 8a). Spektra fotosystémů a LHC se však liší kvůli rozdílnému obsahu Chl b a mají komplementární funkční vztahy. Ve srovnání s jádry PSI a PSII vykazuje LHCII vyšší absorbanci na konci krátké vlnové délky a relativně nižší absorbanci na konci dlouhé vlnové délky (obr. 1b). Špičková spektrální absorbance ve vysokém vlnovém pásmu SIR (< 520 nm) je vysoká a ve vysokém vlnovém pásmu SPFD (> 670 nm) je nízká. Ačkoli se tedy hodnoty rp LHCII jen mírně liší od hodnot jádra PSI a PSII, celková spektrální absorbance se s kombinací jader a LHC zvyšuje.
Hodnoty rp všech pigment-proteinových komplexů vykazovaly silnou negativní korelaci s výjimkou \({\text{PAR}}_{{{text{diff}}}}^{{\text{P}}}). To je výsledek absorpce karotenoidů v komplexech. Z karotenoidů se β-karoten nachází téměř výhradně v jádrech PSI a PSII a lutein a další karotenoidy se nacházejí v LHC (Esteban et al. 2016). Tyto karotenoidy absorbují fotony s vysokým SIR (400-520 nm) bez útlumu ve fotonech s vysokým SPFD (550-700 nm) a snižují absorpci fotonů s vysokým SIR u Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) se již dříve zabýval filtračními účinky akcesorických pigmentů a definoval přebytečnou energii (Es) jako část energie potenciálně vyměněné jako teplo v energii absorbovaných fotonů. Absorpční spektra karotenoidů poměrně účinně eliminují fotony, které produkují vysoké Es. Vzhledem k tomu, že karotenoidy fungují jak při zachycování světla, tak při fotoprotekci, je zapotřebí dalších studií k pochopení funkční diferenciace karotenoidů v pigment-proteinových komplexech.
Například LHCII je periferní anténou pro PSII a může se asociovat s PSI v závislosti na světelných podmínkách (např. Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Komplexy LHCI zprostředkovávají energetickou interakci mezi „extra“ LHCII a jádrem PSI v neporušené membráně (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Rostliny mají mnohem vyšší schopnost rozptýlit světelnou energii absorbovanou anténou LHCII jako teplo. To by mohl být jeden z hlavních důvodů ochrany jádra antény před silným slunečním zářením.
Proč rostliny absorbují méně zeleného světla?
Protože účinnost využití světla je důležitou složkou produkce biomasy, bylo navrženo několik modelů listové fotosyntézy, které zohledňují profil absorpce světla na základě optimálního využití fotonů PAR v pozemském prostředí. Většina diskusí na toto téma se zaměřila na efektivní využití dopadajících fotonů PAR při fotosyntéze. Zásadní význam však mají také vztahy mezi spektrálními charakteristikami dopadajícího slunečního záření a energetickou bilancí chloroplastů a vlastnostmi pigmentů a způsoby, jakými ovlivňují fyziologické podmínky listů (Kume 2017).
Vlnové pásmo zelené oblasti spektra (500-570 nm) je totožné s vlnovým pásmem silného směrového slunečního záření v poledne za jasné oblohy (obr. 3a, 4i). Kume et al. (2016) ukázali, že spektrální absorbance fotosystémů PSI-LHCI a LHCII a neporušených listů lineárně klesají s rostoucím spektrálním ozářením \(PAR_{{{\text{dir}}}}^{{{\text{E}}}) v poledne ve vlnovém pásmu vysokého spektrálního ozáření (450-650 nm). V této studii vykazovala jádra PSI a PSII, která neobsahují Chl b, nejnižší absorbance v okolí vlnového pásma 460 nm (obr. 1a, 8), což je v kontrastu s mořskými fotosyntetickými organismy, které jsou přizpůsobeny ke zvýšení účinnosti absorpce v pásmu vlnových délek 450-650 nm. V důsledku toho mohly změny v systému sklízení světla významně přispět k evoluci suchozemských zelených rostlin, které jsou vyladěny spíše na snížení nadbytečné absorpce energie než na účinnou absorpci PAR fotonů. Jak zdůraznil Ruban (2015), fotosyntetická anténa byla v průběhu evoluce několikrát „znovu vynalezena“, a pochází tedy z více předků. Fotochemické reakční centrum a jádro antény suchozemských rostlin zahrnuje pouze Chl a, která má nízkou absorpční schopnost slunečního záření, a kolem ní je uspořádán periferní anténní komplex obsahující Chl b a karotenoidy. Energetický stav LHCII je přesně regulován a vyvažován různými fotochemickými mechanismy (Galka et al. 2012; Ruban 2015), což vede k tomu, že rostliny jsou chráněny před vysokým PAR a zároveň dosahují vysoké účinnosti absorpce světla.
Je dobře známo, že světlo je nejvíce limitujícím zdrojem pro růst rostlin a že konkurence mezi rostlinami ovlivňuje jejich různé reakce na změny prostředí (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Proto může být důležité efektivní využití PAR při zatažených nebo zastíněných podmínkách. Za slunečných dnů se PARdir podílí na dopadající globální energii PAR z více než 80 % (obr. 4m), ale za zamračených dnů klesá na méně než 50 % a za zamračených rán téměř na 0 % (obr. 4n). Naproti tomu PARdiff zůstává z hlediska množství dopadající energie a λmax relativně stabilní. Tyto spektrální rozdíly mezi PARdir a PARdiff zajišťují, že rozptýlené sluneční záření, které má mnohem menší tendenci způsobovat fotosyntetické nasycení korun, je korunami rostlin využíváno efektivněji než přímé sluneční záření. Naše zjištění tedy naznačují, že absorpční spektrum LHCII umožňuje efektivní využití záření PARdiff a záření zatažených dnů a že difúzní a přímé záření vyvolává různé reakce ve fotosyntéze vrcholíků. Proměnlivost velikosti antény LHC, která se projevuje změnami ve spektrální absorpci, má zásadní vliv na rozložení rostlin, protože umožňuje flexibilitu v účinnosti využití PAR a vyhnutí se silnému teplu produkovanému PARdir (např. Murchie a Horton 1997). Listy, které jsou vystaveny slunci a stínu, lze tedy považovat za přizpůsobené PARdir, respektive PARdiff.
Vliv spektrálních rozdílů mezi PARdir a PARdiff je pro absorpční vlastnosti celých listů zanedbatelný. Kume (2017) prokázal, že absorpční spektra neporušených listů suchozemských rostlin fungují jako šedé těleso. Absorpce fotonů celého listu je účinně regulována fotosyntetickými pigmenty prostřednictvím kombinace rozložení hustoty pigmentů a anatomických struktur listu. Spektrální charakteristiky absorbentů jsou důležitými faktory pro regulaci energie chloroplastů a energetických procesů menšího rozsahu
.