Warum wurden Chls a und b für die terrestrische Umwelt ausgewählt?

Das Absorptionsspektrum von Chl a zeigte eine konsistente Tendenz, PARdir zu vermeiden, und es erzeugt konsistent negative re und rp von PARglb, während das von Chl b dazu neigt, PARdiff zu absorbieren, was darauf hindeutet, dass Chl a starke, direkte Sonnenstrahlung effektiv vermeiden kann und Chl b diffuse Sonnenstrahlung effizient nutzen kann. Diese Unterschiede werden durch leichte Verschiebungen in der Position und Bandbreite der Absorptionspeaks im blauen und roten Bereich verursacht (Abb. 1a), wobei die hohe Absorptionseffizienz von Chl b für PARglb in der terrestrischen Umgebung damit zusammenhängt, dass es eine höhere Soret-Absorptionsbande als Chl a und die längste Soret-Wellenlänge unter den Chl-Pigmenten hat (ca. 452 nm in Diethylether; Mimuro et al. 2011). Solche funktionalen Unterschiede zwischen den photosynthetischen Pigmenten scheinen für das Leben in der terrestrischen Strahlungsumgebung sehr anpassungsfähig zu sein und deuten darauf hin, dass die Vorläufer der Grünalgen aus den vielen anderen photosynthetischen Organismen, die in einer aquatischen Umgebung mit unterschiedlichen photosynthetischen Pigmenten leben, selektiert wurden (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) schlugen vor, dass die Eliminierung von Chl b aus den PSI-Kernantennen wesentlich zur Evolution der terrestrischen Grünpflanzen beitrug. Um dieses Konzept zu erweitern, analysierten wir die Absorptionsspektren von Chl c1 und d. Chl c1 ist eine häufige Form von Chl c. Es ist unter den sekundären Endosymbionten von Rotalgen weit verbreitet und eignet sich für die Lichtbedingungen ihrer marinen Lebensräume (Garrido et al. 1995). Chl c fungiert zusammen mit Chl a und den Carotinoiden als Lichtsammelpigmente. Chl a zeigt nur eine schwache Absorption zwischen 450 und 650 nm, während Chl b oder c in diesem Bereich sowohl am lang- als auch am kurzwelligen Ende eine erhöhte Absorption aufweisen (Kirk 2011). Die re für PARdir und PARdiff von Chl c1 waren ähnlich wie die von Chl b, aber seine rp-Werte waren, insbesondere an dem bewölkten Tag, niedriger als die von Chl b (Abb. 5g, h). Die rp- und re-Werte für PARglb von Chl c1 lagen zwischen denen von Chls a und b (Abb. 7). Die Spitzenabsorption von Chl c1 am langwelligen Ende ist deutlich kleiner als die von Chl b (Abb. 1a); daher wird die Absorption von Photonen durch Chl c1 im langwelligen Bereich viel geringer als die von Chl b. Infolgedessen übertrifft Chl c1 Chl b nicht als Lichtsammelpigment in der terrestrischen Umgebung, wo Photonen mit längeren Wellenlängen reichlich vorhanden sind.

Chl d kommt nur in einigen wenigen Cyanobakterien vor, die in aquatischen Umgebungen leben (Kashiyama et al. 2008), und ist Teil des Lichtreaktionszentrum-Komplexes und kommt nicht nur als akzessorisches Pigment vor (Mielke et al. 2011). Interessanterweise lagen die rp- und re-Werte von Chl d durchweg zwischen denen von Chls a und b und blieben unabhängig von der PAR-Klasse relativ konstant (Abb. 5, 7). Es scheint also, dass aquatisches Chl d nicht gut für die terrestrische, direkt-diffuse Strahlungsumgebung geeignet ist, da seine Absorptionscharakteristika für das Vermeiden oder Sammeln von Sonnenstrahlung unbefriedigend wären.

Es ist anzumerken, dass wir in der aktuellen Studie um +10 nm verschobene Spektraldaten von Chls verwendet haben, um die proteinartige Umgebung widerzuspiegeln (Abb. 1a). Interessanterweise hatte dieser korrigierte Datensatz jedoch eine ähnliche, aber eher schwache Korrelation mit der spektralen Sonneneinstrahlung im Vergleich zu früheren Untersuchungen (Kume et al. 2016).

Was ist der Vorteil der Bildung von Pigment-Protein-Komplexen?

Das Spektrum der einfallenden Strahlung bestimmt die Wirksamkeit der Absorptionsspektren der Pigmente, aber die Chl-Biosynthese und ihre Regulierung in den Embryophyten hängen ab von: der Pflanzenart, dem Entwicklungsstadium und den Umweltfaktoren, wie Lichtbedingungen, Temperatur und der Zusammensetzung der Umgebungsatmosphäre. Somit kann die Chlorophyllbildung auf verschiedenen Ebenen reguliert werden. Es ist bekannt, dass das Chl a/b-Verhältnis unter unbeschatteten Bedingungen zunimmt (d. h. bei hoher PARdir-Exposition) und in schattigeren Umgebungen abnimmt (d. h. bei erhöhtem relativen PARdiff). Dieses Phänomen tritt in allen Größenordnungen auf, vom Intrachloroplasten (Anderson et al. 1988) bis hin zu den Blättern (Terashima 1989) und der gesamten Pflanze (Bordman 1977). Darüber hinaus beobachteten Kume und Ino (1993) deutliche jahreszeitliche Veränderungen des Chl a/b-Verhältnisses in den Blättern von immergrünen, breitblättrigen Sträuchern. Chl und Carotinoide in den pflanzlichen Thylakoidmembranen bilden Pigment-Protein-Komplexe. Chl b kommt ausschließlich in LHCs vor, die als periphere Antennen fungieren (Kunugi et al. 2016). In grünen Pflanzen wird die Antennengröße von PSII durch die Menge an LHCII bestimmt (Jansson 1994; Tanaka und Tanaka 2011), und die Menge an LHCII korreliert stark mit der Akkumulation von Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), das durch Chlorophyllid-a-Oxygenase aus Chl a synthetisiert wird (Tanaka und Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Wenn Pflanzen unter niedrigen Lichtintensitäten wachsen, wird die Chl b-Synthese verstärkt und die Antennengröße nimmt zu (Bailey et al. 2001). Da LHCII der wichtigste Lichtsammelkomplex von Pflanzen und das am häufigsten vorkommende Membranprotein ist, könnte das Absorptionsspektrum des LHCII-Trimers das durchschnittliche Chloroplasten-Absorptionsspektrum darstellen (Kume 2017). Das Absorptionsspektrum von LHCII unterscheidet sich deutlich von dem eines einzelnen Chl-Moleküls oder der Kern-Photosysteme, insbesondere im Hinblick auf den sekundären Absorptionspeak, der bei 472 nm mit einer Schulter bei 653 nm auftritt (Abb. 1b).

Die Vermeidung überschüssiger Energieabsorption in Photosystemen ist eine wesentliche Überlebensstrategie in terrestrischen Umgebungen, wo die atmosphärische CO2-Konzentration zu niedrig ist, um die einfallende Sonnenstrahlung sicher für die Photosynthese zu nutzen, und die Photonenflussdichte um mehrere Größenordnungen schwanken kann (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) fanden heraus, dass die spektrale Absorption von Chl a stark negativ mit der spektralen Bestrahlungsstärke von PARglb zur Mittagszeit korreliert ist, und Kunugi et al. (2016) zeigten, dass der Ausschluss von Chl b aus den Kernantennen entscheidend für die Förderung der Resistenz gegenüber starkem Licht ist. In der vorliegenden Studie stellten wir fest, dass PSI- und PSII-Kerne, die kein Chl b enthalten, unter PARdir stark negative re- und rp-Werte aufwiesen, und dass diese Werte tendenziell negativer waren als die für Chl a. Die Zugabe von LHCI, das Chl b enthält, zu PSI, um PSI-LHCI zu bilden, führte jedoch zu einem Anstieg von re, während das LHCII-Trimer, das das niedrigste a/b-Verhältnis aufweist, die höchsten re-Werte zeigte. Diese Unterschiede wurden hauptsächlich durch Unterschiede in der Absorption in der Nähe des 470-nm-Wellenbereichs verursacht (Abb. 1b, 8). Die Zunahme von Chl b in LHCs erhöht die Absorption im hohen SIR-Wellenbereich eher als die im hohen SPFD-Wellenbereich.

Beziehungen zwischen der spektralen Absorption des Trimers des Lichtsammelkomplexes II (LHCII), des Photosystems I (PSI)-LHCI und des PSI-Kerns und der spektralen Bestrahlungsstärke von (a) direkter photosynthetisch aktiver Sonnenstrahlung (PAR) und (b) diffuser solarer PAR am Mittag. Die spektrale Absorption ist auf der y-Achse und die spektrale Bestrahlungsstärke auf der x-Achse in Abständen von 3,35 nm in der Bandbreite von 400-680 nm aufgetragen. Punkte mit aufeinanderfolgenden Wellenlängen sind durch eine Linie verbunden. Die Punkte mit den kürzesten (400 nm) und längsten (680 nm) Wellenlängen sind durch Quadrate bzw. Kreuze gekennzeichnet. Die horizontalen gestrichelten Linien geben die Absorption jedes Photosystems bei 570 nm an, und die vertikalen Pfeile zeigen den Unterschied zwischen diesen an, der hauptsächlich durch die Menge an Chl b verursacht wird, die in jedem Photosystem oder jeder Antenne enthalten ist

Die Spektren von Photosystemen und LHCs sind durchweg so eingestellt, dass der hohe SPFD-Wellenbereich vermieden wird (Abb. 8a). Die Spektren von Photosystemen und LHCs unterscheiden sich jedoch aufgrund der unterschiedlichen Chl b-Gehalte und haben komplementäre funktionelle Beziehungen. Im Vergleich zu den PSI- und PSII-Kernen zeigt LHCII eine höhere Absorption am kurzwelligen Ende und eine relativ geringere Absorption am langwelligen Ende (Abb. 1b). Der Spitzenwert der spektralen Absorption im hohen SIR-Wellenbereich (< 520 nm) ist hoch und der im hohen SPFD-Wellenbereich (> 670 nm) ist niedrig. Obwohl sich die rp-Werte von LHCII nur geringfügig von denen der PSI- und PSII-Kerne unterscheiden, steigt daher die gesamte spektrale Absorption mit der Kombination von Kernen und LHCs.

Die rp-Werte aller Pigment-Protein-Komplexe zeigten eine starke negative Korrelation mit Ausnahme von \({\text{PAR}}_{{{\text{diff}}}}^{{{\text{P}}}\). Dies ist das Ergebnis der Absorption durch Carotinoide in den Komplexen. Unter den Carotinoiden befindet sich β-Carotin fast ausschließlich in den PSI- und PSII-Kernen, während Lutein und andere Carotinoide in den LHCs zu finden sind (Esteban et al. 2016). Diese Carotinoide absorbieren Photonen mit hohem SIR-Wert (400-520 nm) ohne Abschwächung bei Photonen mit hohem SPFD-Wert (550-700 nm) und verringern die Absorption von Photonen mit hohem SIR-Wert durch Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) hat zuvor die Filterwirkung von akzessorischen Pigmenten diskutiert und die überschüssige Energie (Es) als den Teil der Energie definiert, der potenziell als Wärme in der absorbierten Photonenenergie ausgetauscht wird. Die Absorptionsspektren der Carotinoide sind recht effektiv bei der Eliminierung von Photonen, die hohe Es erzeugen. Da Carotinoide sowohl als Lichtfänger als auch als Photoprotektoren fungieren, sind weitere Studien erforderlich, um die funktionelle Differenzierung von Carotinoiden in Pigment-Protein-Komplexen zu verstehen.

Besonders LHCII ist die periphere Antenne für PSII und kann je nach Lichtbedingungen mit PSI assoziieren (z. B. Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Die LHCI-Komplexe vermitteln die energetische Interaktion zwischen „extra“ LHCII und PSI-Kern in der intakten Membran (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Pflanzen haben eine viel größere Fähigkeit, die von der LHCII-Antenne absorbierte Lichtenergie als Wärme abzugeben. Dies könnte einer der Hauptgründe für den Schutz der Kernantenne vor starker Sonneneinstrahlung sein.

Warum absorbieren Pflanzen weniger grünes Licht?

Da die Lichtnutzungseffizienz eine wichtige Komponente der Biomasseproduktion ist, wurden mehrere Blatt-Photosynthesemodelle vorgeschlagen, die das Lichtabsorptionsprofil auf der Grundlage der optimalen Nutzung von PAR-Photonen in der terrestrischen Umgebung berücksichtigen. Die meisten Diskussionen zu diesem Thema konzentrierten sich auf die effiziente Nutzung der einfallenden PAR-Photonen in der Photosynthese. Von entscheidender Bedeutung sind jedoch auch die Beziehungen zwischen den spektralen Eigenschaften der einfallenden Sonnenstrahlung und der Energiebilanz der Chloroplasten und Pigmenteigenschaften sowie die Art und Weise, wie sich diese auf die physiologischen Bedingungen des Blattes auswirken (Kume 2017).

Das Wellenband des grünen Bereichs des Spektrums (500-570 nm) ist identisch mit dem der starken, gerichteten Sonneneinstrahlung zur Mittagszeit bei klarem Himmel (Abb. 3a, 4i). Kume et al. (2016) zeigten, dass die spektralen Absorptionen der Photosysteme PSI-LHCI und LHCII sowie der intakten Blätter mit zunehmender spektraler Bestrahlungsstärke von \(PAR_{{{\text{dir}}}}^{{\text{E}}}) zur Mittagszeit im Wellenbereich hoher spektraler Bestrahlungsstärke (450-650 nm) linear abnehmen. In der vorliegenden Studie zeigten die PSI- und PSII-Kerne, die kein Chl b enthalten, die geringste Absorption in der Nähe des 460-nm-Wellenbereichs (Abb. 1a, 8), was im Gegensatz zu den photosynthetischen Organismen im Meer steht, die so angepasst sind, dass sie die Absorptionseffizienz im Wellenlängenbereich von 450-650 nm erhöhen. Folglich könnten Veränderungen im Lichtsammelsystem wesentlich zur Evolution der grünen Landpflanzen beigetragen haben, die darauf abgestimmt sind, überschüssige Energieabsorption zu reduzieren, anstatt PAR-Photonen effizient zu absorbieren. Wie Ruban (2015) betonte, wurde die photosynthetische Antenne im Laufe der Evolution mehrfach „neu erfunden“ und stammt daher von mehreren Vorfahren ab. Das photochemische Reaktionszentrum und die Kernantennen der Landpflanzen enthalten nur Chl a, das ein geringes Absorptionsvermögen für die Sonnenstrahlung hat, während der periphere Antennenkomplex, der Chl b und Carotinoide enthält, um dieses herum angeordnet ist. Der Energiezustand von LHCII wird durch verschiedene photochemische Mechanismen genau reguliert und ausbalanciert (Galka et al. 2012; Ruban 2015), was dazu führt, dass Pflanzen vor hohen PAR-Werten geschützt sind und gleichzeitig eine hohe Lichtabsorptionseffizienz erreichen.

Es ist bekannt, dass Licht die am stärksten begrenzende Ressource für das Pflanzenwachstum ist und dass die Konkurrenz zwischen Pflanzen ihre verschiedenen Reaktionen auf Umweltveränderungen beeinflusst (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Daher kann die effiziente Nutzung von PAR unter bewölkten oder schattigen Bedingungen wichtig sein. An sonnigen Tagen trägt PARdir zu mehr als 80 % zur einfallenden globalen PAR-Energie bei (Abb. 4m), doch sinkt dieser Anteil an bewölkten Tagen auf weniger als 50 % und an bewölkten Vormittagen auf fast 0 % (Abb. 4n). Im Gegensatz dazu bleibt PARdiff in Bezug auf die Menge der einfallenden Energie und λmax relativ stabil. Diese spektralen Unterschiede zwischen PARdir und PARdiff stellen sicher, dass diffuse Sonnenstrahlung, die viel weniger dazu neigt, die photosynthetische Sättigung der Baumkronen zu bewirken, von den Pflanzenkronen effektiver genutzt wird als direkte Sonnenstrahlung. Unsere Ergebnisse deuten also darauf hin, dass das Absorptionsspektrum von LHCII die effiziente Nutzung von PARdiff und der Strahlung an bewölkten Tagen ermöglicht und dass diffuse und direkte Strahlung unterschiedliche Reaktionen in der Photosynthese der Baumkronen auslösen. Die Veränderbarkeit der LHC-Antennengröße, die sich in Änderungen der spektralen Absorption widerspiegelt, hat eine große Auswirkung auf die Verteilung der Pflanzen, da sie eine flexible Nutzung der PAR-Effizienz und die Vermeidung der durch PARdir erzeugten starken Hitze ermöglicht (z. B. Murchie und Horton 1997). Daher können Blätter, die Sonne und Schatten ausgesetzt sind, als PARdir- bzw. PARdiff-angepasst betrachtet werden.

Besonders die Auswirkungen der spektralen Unterschiede zwischen PARdir und PARdiff sind für die Absorptionseigenschaften des ganzen Blattes vernachlässigbar. Kume (2017) hat gezeigt, dass die Absorptionsspektren der intakten Blätter von Landpflanzen wie ein grauer Körper funktionieren. Die Photonenabsorption des gesamten Blattes wird durch photosynthetische Pigmente durch eine Kombination aus Pigmentdichteverteilung und anatomischen Blattstrukturen effizient reguliert. Die spektralen Eigenschaften der Absorber sind wichtige Faktoren für die Energieregulierung der Chloroplasten und kleinerer Energieprozesse.