Hvorfor blev Chls a og b udvalgt i det terrestriske miljø?

Absorptionsspektret af Chl a udviste en konsekvent tendens til at undgå PARdir, og det giver konsekvent negative re og rp af PARglb, mens Chl b havde tendens til at absorbere PARdiff, hvilket tyder på, at Chl a effektivt kan undgå stærk, direkte solstråling, og Chl b effektivt kan udnytte diffus solstråling. Disse forskelle skyldes små forskydninger i absorptionstoppernes position og båndbredde i de blå og røde områder (Fig. 1a), idet Chl b’s høje absorptionseffektivitet for PARglb i det terrestriske miljø hænger sammen med, at det har et højere Soret-absorptionsbånd end Chl a og den længste Soret-bølgelængde blandt Chl-pigmenterne (ca. 452 nm i diethylether; Mimuro et al. 2011). Sådanne funktionelle forskelle mellem de fotosyntetiske pigmenter synes at være ganske adaptive for livet i det terrestriske strålingsmiljø og tyder på, at grønalgernes stamfædre blev udvalgt fra de mange andre fotosyntetiske organismer, der levede i et akvatisk miljø med forskellige fotosyntetiske pigmenter (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) foreslog, at elimineringen af Chl b fra PSI-kerneantennerne bidrog i høj grad til evolutionen af terrestriske grønne planter. For at udvide dette koncept analyserede vi absorptionsspektre af Chls c1 og d. Chl c1 er en almindelig form af Chl c. Den er vidt udbredt blandt de sekundære endosymbionter, der stammer fra rødalger, og er velegnet til lysforholdene i deres marine levesteder (Garrido et al. 1995). Chl c fungerer sammen med Chl a og carotenoider som lyshøstende pigmenter. Chl a viser kun svag absorbans mellem 450 og 650 nm, mens Chl b eller c viser øget absorbans inden for dette område i både den lange og den korte bølgelængde (Kirk 2011). Re for PARdir og PARdiff for Chl c1 svarede til dem for Chl b, men dens rp-værdier, især på den overskyede dag, var lavere end Chl b’s (Fig. 5g, h). rp- og re-værdierne for PARglb for Chl c1 lå mellem dem for Chls a og b (fig. 7). Toppunktet af Chl c1’s absorbans i den lange bølgelængde er betydeligt mindre end Chl b’s (Fig. 1a); således bliver Chl c1’s absorption af fotoner i det lange bølgelængdeområde meget lavere end Chl b’s. Som følge heraf overgår Chl c1 ikke Chl b som et lyshøstende pigment i det terrestriske miljø, hvor fotoner med længere bølgelængde er rigeligt til stede.

Chl d findes kun i nogle få cyanobakterier, der lever i akvatiske miljøer (Kashiyama et al. 2008) og udgør en del af lysreaktionscenterkomplekset snarere end blot at forekomme som et tilbehørspigment (Mielke et al. 2011). Interessant nok lå rp- og re-værdierne for Chl d konsekvent mellem værdierne for Chls a og b og forblev relativt konstante uanset PAR-klassen (fig. 5, 7). Det ser således ud til, at akvatisk Chl d ikke ville være velegnet til det terrestriske, direkte-diffuse strålingsmiljø, da dets absorptionsegenskaber ville være utilfredsstillende til at undgå eller samle solstråling.

Det bemærkes, at vi anvendte + 10 nm forskudte spektraldata for Chls i den aktuelle undersøgelse for at afspejle det proteinholdige miljø (Fig. 1a). Interessant nok havde dette korrigerede datasæt imidlertid en lignende, men ret svag korrelation med den spektrale solstråling i sammenligning med den tidligere forskning (Kume et al. 2016).

Hvad er fordelen ved at danne pigment-protein-komplekser?

Spektret af indfaldende stråling bestemmer effektiviteten af absorptionsspektret af pigmenter, men Chl-biosyntesen og dens regulering i embryofytter afhænger af: plantearter, udviklingsstadie og miljøfaktorer, såsom lysforhold, temperatur og sammensætningen af den omgivende atmosfære. Klorofyldannelsen kan således være reguleret på forskellige niveauer. Det er veletableret, at Chl a/b-forholdet stiger under ubeskyggede forhold (dvs. når eksponeringen for PARdir er høj) og falder i mere skyggefulde miljøer (dvs. når den relative PARdiff er forhøjet). Dette fænomen forekommer i alle størrelser af skalaen, fra intra-chloroplast (Anderson et al. 1988) over bladene (Terashima 1989) til hele planten (Bordman 1977). Desuden observerede Kume og Ino (1993) klare sæsonbetingede ændringer i Chl a/b-forholdet i bladene på stedsegrønne, bredbladede buske. Chls og carotenoider i planternes thylakoidmembraner danner pigment-protein-komplekser. Chl b forekommer udelukkende i LHC’er, der fungerer som perifere antenner (Kunugi et al. 2016). I grønne planter bestemmes antennestørrelsen af PSII af mængden af LHCII (Jansson 1994; Tanaka og Tanaka 2011), og niveauerne af LHCII er stærkt korreleret med akkumulationen af Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), som syntetiseres fra Chl a af chlorophyllid a oxygenase (Tanaka og Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Når planter vokser under lav lysintensitet, øges Chl b-syntesen, og antennestørrelsen øges (Bailey et al. 2001). Da LHCII er det vigtigste lyshøstningskompleks i planter og det hyppigst forekommende membranprotein, kan absorptionsspektret af LHCII-trimeren repræsentere det gennemsnitlige kloroplastabsorptionsspektrum (Kume 2017). Absorptionsspektret af LHCII er væsentligt forskelligt fra et enkelt Chl-molekyle eller kernefotosystemerne, især med hensyn til det sekundære absorptionstop, der forekommer ved 472 nm med en skulder ved 653 nm (Fig. 1b).

Forebyggelse af overskydende energiabsorption i fotosystemer er en væsentlig overlevelsesstrategi i terrestriske miljøer, hvor den atmosfæriske CO2-koncentration er for lav til at udnytte den indfaldende solstråling sikkert til fotosyntese, og fotonfluxtætheden kan svinge med flere størrelsesordener (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) fandt, at den spektrale absorbans af Chl a er stærkt negativt korreleret med den spektrale bestråling af PARglb ved middagstid, og Kunugi et al. (2016) viste, at udelukkelsen af Chl b fra kerneantennerne er afgørende for at fremme højlysresistens. I den foreliggende undersøgelse fandt vi, at PSI- og PSII-kerner, som ikke indeholder Chl b, viste stærkt negative re og rp-værdier under PARdir, og at disse værdier havde en tendens til at være mere negative end værdierne for Chl a. Imidlertid førte tilsætning af LHCI, som indeholder Chl b, til PSI for at danne PSI-LHCI til en stigning i re, mens LHCII-trimeren, som har det laveste a/b-forhold, viste de højeste re-værdier. Disse forskelle skyldtes hovedsagelig forskelle i absorbans i nærheden af 470-nm-bølgebåndet (fig. 1b, 8). Stigningen i Chl b i LHC’er hæver absorbansen ved det høje SIR-bølgebånd snarere end ved det høje SPFD-bølgebånd.

Sammenhænge mellem den spektrale absorbans af trimeren af lyshøstningskompleks II (LHCII), fotosystem I (PSI)-LHCI og PSI-kernen og den spektrale bestråling af (a) direkte solfotosyntetisk aktiv stråling (PAR) og (b) diffus solparasitær stråling ved middagstid. Spektral absorbans er plottet på y-aksen og spektral bestråling på x-aksen i intervaller på 3,35 nm i båndbredden 400-680 nm. Punkter med på hinanden følgende bølgelængder er forbundet med en linje. Punkterne med de korteste (400 nm) og længste (680 nm) bølgelængder er angivet med henholdsvis firkanter og krydser. De vandrette stiplede linjer angiver hvert fotosystems absorbans ved 570 nm, og de lodrette pile angiver forskellen mellem disse, som hovedsagelig skyldes mængden af Chl b indeholdt i hvert fotosystem eller antenne

Spektrene for fotosystemer og LHC’er er konsekvent justeret for at undgå det høje SPFD-bølgebånd (fig. 8a). Spektre af fotosystemer og LHC’er er imidlertid forskellige på grund af forskellige Chl b-indhold og har komplementære funktionelle relationer. Sammenlignet med PSI- og PSII-kerne viser LHCII en højere absorbans i den korte bølgelængdeende og en relativt lavere absorbans i den lange bølgelængdeende (fig. 1b). Den maksimale spektrale absorbans i det høje SIR-bølgebånd (< 520 nm) er høj, og den i det høje SPFD-bølgebånd (> 670 nm) er lav. Selv om rp-værdierne for LHCII kun adskiller sig lidt fra værdierne for PSI- og PSII-kerner, øges den samlede spektrale absorbans derfor med kombinationen af kerner og LHC’er.

Rp-værdierne for alle pigment-protein-komplekser viste stærk negativ korrelation med undtagelse af \({\text{PAR}}_{{{{\text{diff}}}}^{{\text{P}}}}})\). Dette er resultatet af absorptionen af carotenoider i komplekserne. Blandt carotenoiderne er β-caroten næsten udelukkende placeret i PSI- og PSII-kerner, og lutein og andre carotenoider er placeret i LHC’er (Esteban et al. 2016). Disse carotenoider absorberer fotoner med høj SIR-værdi (400-520 nm) uden dæmpning i fotoner med høj SPFD-værdi (550-700 nm) og reducerer absorptionen af fotoner med høj SIR-værdi af Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) har tidligere diskuteret filtreringseffekterne af tilbehørspigmenter og har defineret overskudsenergi (Es) som den del af energien, der potentielt udveksles som varme i den absorberede fotonenergi. Absorptionsspektre af carotenoider er ganske effektive til at eliminere fotoner, der producerer høj Es. Da carotenoider fungerer både i lysindfangning og fotobeskyttelse, er der behov for yderligere undersøgelser for at forstå den funktionelle differentiering af carotenoider i pigmentproteinkomplekser.

Notatvis er LHCII den perifere antenne for PSII og kan associeres med PSI afhængigt af lysforholdene (f.eks. Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). LHCI-komplekserne formidler energimæssig interaktion mellem “ekstra” LHCII og PSI-kernen i den intakte membran (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Planter har en meget større evne til at sprede den lysenergi, der absorberes af LHCII-antennen, som varme. Dette kunne være en af de vigtigste grunde til at beskytte kerneantennen mod stærk solstråling.

Hvorfor absorberer planter mindre grønt lys?

Da lysudnyttelseseffektiviteten er en vigtig komponent i biomasseproduktionen, er der blevet foreslået flere bladfotosyntesemodeller, der tager hensyn til lysabsorptionsprofilen baseret på den optimale udnyttelse af PAR-fotoner i det terrestriske miljø. De fleste diskussioner omkring dette har fokuseret på den effektive udnyttelse af indfaldende PAR-fotoner i fotosyntesen. Forholdet mellem de spektrale egenskaber ved den indfaldende stråling fra solen og energibalancen i kloroplaster og pigmentegenskaber og den måde, hvorpå disse påvirker bladfysiologiske forhold, er imidlertid også af afgørende betydning (Kume 2017).

Bølgebåndet i den grønne region af spektret (500-570 nm) er identisk med bølgebåndet for stærk, retningsbestemt solindstråling ved middagstid under en klar himmel (fig. 3a, 4i). Kume et al. (2016) viste, at de spektrale absorbanser af fotosystemerne PSI-LHCI og LHCII og intakte blade falder lineært med den øgede spektrale bestråling af \(PAR_{{{{{\text{dir}}}}^{{{{text{E}}}}}) ved middagstid i bølgebåndet med høj spektralbestråling (450-650 nm). I den foreliggende undersøgelse viste PSI- og PSII-kerne, som ikke indeholder Chl b, den laveste absorbans i nærheden af bølgebåndet på 460 nm (fig. 1a, 8), hvilket står i kontrast til marine fotosyntetiske organismer, som er tilpasset til at øge absorptionseffektiviteten i bølgelængdeområdet 450-650 nm. Følgelig kan ændringer i lysindsamlingssystemet have bidraget i høj grad til udviklingen af grønne planter på jorden, som er finjusteret til at reducere overskydende energiabsorption snarere end til at absorbere PAR-fotoner effektivt. Som Ruban (2015) understregede, blev den fotosyntetiske antenne “genopfundet” et antal gange i løbet af evolutionen og stammer derfor fra flere forfædre. Det fotokemiske reaktionscenter og kerneantennerne hos landplanter omfatter kun Chl a, som har en lav solstråleabsorptivitet, mens det perifere antennekompleks, der indeholder Chl b og carotenoider, er anbragt omkring dette. LHCII’s energitilstand er præcist reguleret og afbalanceret af forskellige fotokemiske mekanismer (Galka et al. 2012; Ruban 2015), hvilket resulterer i, at planter beskyttes mod høj PAR, samtidig med at de opnår en høj lysabsorptionseffektivitet.

Det er velkendt, at lys er den mest begrænsende ressource for plantevækst, og at konkurrence mellem planter påvirker deres forskellige reaktioner på miljøændringer (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Derfor kan en effektiv udnyttelse af PAR under overskyede eller skyggefulde forhold være vigtig. På solrige dage bidrager PARdir med mere end 80 % til den indfaldende globale PAR-energi (fig. 4m), men dette falder til mindre end 50 % på overskyede dage og næsten 0 % på overskyede morgener (fig. 4n). Derimod forbliver PARdiff relativt stabil med hensyn til mængden af indfaldende energi og λmax. Disse spektrale forskelle mellem PARdir og PARdiff sikrer, at diffus solstråling, som har langt mindre tendens til at forårsage fotosyntetisk mætning af baldakinen, udnyttes mere effektivt af plantedækkerne end direkte solstråling. Vores resultater tyder således på, at LHCII’s absorptionsspektrum gør det muligt at udnytte PARdiff og stråling fra overskyet vejr effektivt, og at diffus og direkte stråling udløser forskellige reaktioner i kronetagens fotosyntese. LHC-antennestørrelsens foranderlighed, som afspejles i ændringer i den spektrale absorption, har stor betydning for planternes fordeling, da den giver mulighed for fleksibilitet i PAR-anvendelseseffektivitet og undgåelse af den stærke varme, der produceres af PARdir (f.eks. Murchie og Horton 1997). Således kan blade, der er udsat for sol og skygge, betragtes som henholdsvis PARdir- og PARdiff-tilpassede.

Nærmere bestemt er virkningerne af spektrale forskelle mellem PARdir og PARdiff ubetydelige for helbladsabsorptionsegenskaber. Kume (2017) har vist, at absorptionsspektre af de intakte blade af landplanter fungerer som et gråt legeme. Fotonabsorptionen af hele bladet reguleres effektivt af fotosyntetiske pigmenter gennem en kombination af pigmenttæthedsfordelingen og bladets anatomiske strukturer. Absorbenternes spektrale egenskaber er vigtige faktorer for energireguleringen af kloroplaster og energiprocesser i mindre skala.