¿Por qué se seleccionaron las Chls a y b en el medio ambiente terrestre?

El espectro de absorción de la Chl a mostró una tendencia consistente a evitar la PARdir y produce una re y rp negativa consistente de la PARglb, mientras que el de la Chl b tendió a absorber la PARdiff, lo que sugiere que la Chl a puede evitar eficazmente la radiación solar fuerte y directa y la Chl b puede utilizar eficazmente la radiación solar difusa. Estas diferencias están causadas por ligeros desplazamientos en la posición y la anchura de banda de los picos de absorción en las regiones azul y roja (Fig. 1a), estando la alta eficiencia de absorción de Chl b para PARglb en el medio terrestre relacionada con que tiene una banda de absorción Soret más alta que Chl a y la longitud de onda Soret más larga entre los pigmentos Chl (c. 452 nm en éter dietílico; Mimuro et al. 2011). Tales diferencias funcionales entre los pigmentos fotosintéticos parecen ser bastante adaptativas para la vida en el entorno de radiación terrestre y sugieren que los progenitores de las algas verdes fueron seleccionados a partir de los muchos otros organismos fotosintéticos que viven en un entorno acuático con diferentes pigmentos fotosintéticos (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) sugirieron que la eliminación de la Chl b de las antenas del núcleo de la PSI contribuyó en gran medida a la evolución de las plantas verdes terrestres. Para ampliar este concepto, analizamos los espectros de absorción de Chls c1 y d. Chl c1 es una forma común de Chl c. Está ampliamente distribuida entre los endosimbiontes secundarios derivados de algas rojas y es adecuada para las condiciones de luz de sus hábitats marinos (Garrido et al. 1995). Chl c funciona junto con Chl a y los carotenoides como pigmentos captadores de luz. La Chl a sólo muestra una débil absorbencia entre 450 y 650 nm, mientras que la Chl b o c muestran una mayor absorbencia dentro de este rango tanto en el extremo de longitud de onda larga como en el de longitud de onda corta (Kirk 2011). Los re para PARdir y PARdiff de Chl c1 fueron similares a los de Chl b, pero sus valores de rp, especialmente en el día nublado, fueron menores que los de Chl b (Fig. 5g, h). Los valores rp y re para la PARglb de Chl c1 se situaron entre los de Chls a y b (Fig. 7). El pico de absorción de Chl c1 en el extremo de longitud de onda larga es significativamente menor que el de Chl b (Fig. 1a); por lo tanto, la absorción de fotones por Chl c1 en la región de longitud de onda larga es mucho menor que la de Chl b. Como resultado, Chl c1 no supera a Chl b como pigmento recolector de luz en el medio ambiente terrestre, donde los fotones de longitud de onda más larga son abundantes.

Chl d sólo se encuentra en unas pocas cianobacterias que habitan en ambientes acuáticos (Kashiyama et al. 2008) y constituye parte del complejo del centro de reacción de la luz en lugar de aparecer simplemente como un pigmento accesorio (Mielke et al. 2011). Curiosamente, los valores de rp y re de Chl d se sitúan sistemáticamente entre los de Chls a y b y se mantienen relativamente constantes independientemente de la clase de PAR (Figs. 5, 7). Por lo tanto, parece que la Chl d acuática no estaría bien adaptada al entorno terrestre de radiación directa-difusa, ya que sus características de absorción serían insatisfactorias para evitar o recoger la radiación solar.

Se observa que utilizamos datos espectrales de Chls desplazados + 10 nm en el estudio actual para reflejar el entorno proteináceo (Fig. 1a). Sin embargo, es interesante que este conjunto de datos corregidos tenía una correlación similar pero bastante débil con la radiación solar espectral en comparación con la investigación anterior (Kume et al. 2016).

¿Cuál es la ventaja de formar complejos pigmento-proteína?

El espectro de la radiación incidente determina la eficacia de los espectros de absorción de los pigmentos, pero la biosíntesis de Chl y su regulación en los embriofitos dependen de: la especie vegetal, la etapa de desarrollo y los factores ambientales, como las condiciones de luz, la temperatura y la composición de la atmósfera ambiental. Así, la formación de clorofila puede estar regulada a varios niveles. Está bien establecido que la relación Chl a/b aumenta en condiciones sin sombra (es decir, cuando la exposición a la PARdir es alta) y disminuye en ambientes más sombríos (es decir, cuando la PARdiff relativa es elevada). Este fenómeno se produce en todas las magnitudes de escala, desde el intracloroplasto (Anderson et al. 1988) hasta las hojas (Terashima 1989) y toda la planta (Bordman 1977). Además, Kume e Ino (1993) observaron claros cambios estacionales en la relación Chl a/b en las hojas de arbustos frondosos de hoja perenne. Las Chls y los carotenoides en las membranas tilacoides de las plantas forman complejos pigmento-proteína. La Chl b se encuentra exclusivamente en los LHC, que funcionan como antenas periféricas (Kunugi et al. 2016). En las plantas verdes, el tamaño de la antena del PSII está determinado por la cantidad de LHCII (Jansson 1994; Tanaka y Tanaka 2011) y los niveles de LHCII están altamente correlacionados con la acumulación de Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), que se sintetiza a partir de Chl a por la clorofilida a oxigenasa (Tanaka y Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Cuando las plantas crecen bajo intensidades de luz bajas, la síntesis de Chl b se potencia y el tamaño de la antena aumenta (Bailey et al. 2001). Dado que LHCII es el principal complejo recolector de luz de las plantas y la proteína de membrana más abundante, el espectro de absorción del trímero LHCII puede representar el espectro de absorción medio del cloroplasto (Kume 2017). El espectro de absorción de LHCII es significativamente diferente de una sola molécula de Chl o de los fotosistemas del núcleo, en particular en lo que respecta al pico de absorción secundario que se produce a 472 nm con un hombro a 653 nm (Fig. 1b).

Evitar el exceso de absorción de energía en los fotosistemas es una estrategia de supervivencia esencial en entornos terrestres, donde la concentración atmosférica de CO2 es demasiado baja para utilizar la radiación solar incidente de forma segura para la fotosíntesis y la densidad de flujo de fotones puede fluctuar en varios órdenes de magnitud (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) encontraron que la absorbancia espectral de Chl a está fuertemente correlacionada negativamente con la irradiancia espectral de PARglb al mediodía y Kunugi et al. (2016) mostraron que la exclusión de Chl b de las antenas del núcleo es crucial para promover la resistencia a la alta luz. En el presente estudio, encontramos que los núcleos PSI y PSII, que no incluyen Chl b, mostraron fuertes valores negativos de re y rp bajo PARdir, y que estos valores tendieron a ser más negativos que los de Chl a. Sin embargo, la adición de LHCI, que incluye Chl b, a PSI para formar PSI-LHCI condujo a un aumento de re, mientras que el trímero LHCII, que tiene la relación a/b más baja, mostró los valores más altos de re. Estas diferencias se debieron principalmente a las diferencias de absorbencia en las proximidades de la banda de onda de 470 nm (Figs. 1b, 8). El aumento de Chl b en las LHC eleva la absorbancia en la banda de onda alta de SIR más que en la banda de onda alta de SPFD.

Relaciones entre la absorbancia espectral del trímero del complejo cosechador de luz II (LHCII), el fotosistema I (PSI)-LHCI, y el núcleo del PSI y la irradiación espectral de (a) la radiación solar directa fotosintéticamente activa (PAR) y (b) la PAR solar difusa al mediodía. La absorbencia espectral se representa en el eje y y la irradiancia espectral en el eje x a intervalos de 3,35 nm en el ancho de banda de 400-680 nm. Los puntos con longitudes de onda consecutivas están conectados con una línea. Los puntos con las longitudes de onda más cortas (400 nm) y más largas (680 nm) se indican con cuadrados y cruces, respectivamente. Las líneas horizontales discontinuas indican la absorbancia de cada fotosistema a 570 nm y las flechas verticales indican la diferencia entre éstas, que se debe principalmente a la cantidad de Chl b contenida en cada fotosistema o antena

Los espectros de los fotosistemas y de los LHC se ajustan sistemáticamente para evitar la banda de onda alta de SPFD (Fig. 8a). Sin embargo, los espectros de los fotosistemas y LHCs son diferentes debido a los diferentes contenidos de Chl b y tienen relaciones funcionales complementarias. En comparación con los núcleos PSI y PSII, LHCII muestra una mayor absorbancia en el extremo de longitud de onda corta y una absorbancia relativamente menor en el extremo de longitud de onda larga (Fig. 1b). El pico de absorbancia espectral en la banda de onda de alta SIR (< 520 nm) es alto y el de la banda de onda de alta SPFD (> 670 nm) es bajo. Por lo tanto, aunque los valores de rp de LHCII son sólo ligeramente diferentes de los de los núcleos PSI y PSII, la absorbencia espectral total aumenta con la combinación de núcleos y LHC.

Los valores de rp de todos los complejos pigmento-proteína mostraron una fuerte correlación negativa con la excepción de \text{PAR}_{text{diff}}}}^{text{P}}. Este es el resultado de la absorción por parte de los carotenoides en los complejos. Entre los carotenoides, el β-caroteno se localiza casi exclusivamente en los núcleos PSI y PSII, y la luteína y otros carotenoides se localizan en los LHC (Esteban et al. 2016). Estos carotenoides absorben fotones de alto SIR (400-520 nm) sin atenuación en fotones de alto SPFD (550-700 nm), y reducen la absorción de fotones de alto SIR por parte de las Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) discutió previamente los efectos de filtrado de los pigmentos accesorios y ha definido la energía excedente (Es) como la parte de energía potencialmente intercambiada como calor en la energía de los fotones absorbidos. Los espectros de absorción de los carotenoides son bastante eficaces para eliminar los fotones que producen altas Es. Dado que los carotenoides funcionan tanto en la captura de luz como en la fotoprotección, se requieren más estudios para entender la diferenciación funcional de los carotenoides en los complejos pigmento-proteína.

En particular, LHCII es la antena periférica para PSII y puede asociarse con PSI dependiendo de las condiciones de luz (por ejemplo, Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Los complejos LHCI median la interacción energética entre LHCII «extra» y el núcleo de PSI en la membrana intacta (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Las plantas tienen una capacidad mucho mayor para disipar la energía lumínica absorbida por la antena LHCII en forma de calor. Esta podría ser la una de las principales razones para proteger la antena del núcleo de la fuerte radiación solar.

¿Por qué las plantas absorben menos luz verde?

Dado que la eficiencia en el uso de la luz es un componente importante de la producción de biomasa, se han propuesto varios modelos de fotosíntesis foliar que consideran el perfil de absorción de luz basado en el uso óptimo de los fotones PAR en el entorno terrestre. La mayoría de los debates al respecto se han centrado en el uso eficiente de los fotones PAR incidentes en la fotosíntesis. Sin embargo, las relaciones entre las características espectrales de la radiación incidente del sol y el balance energético de los cloroplastos y las características de los pigmentos, y las formas en que estos afectan a las condiciones fisiológicas de las hojas también son de crucial importancia (Kume 2017).

La banda de onda de la región verde del espectro (500-570 nm) es idéntica a la de la irradiación solar fuerte y direccional al mediodía bajo un cielo despejado (Figs. 3a, 4i). Kume et al. (2016) mostraron que las absorbancias espectrales de los fotosistemas PSI-LHCI y LHCII y de las hojas intactas disminuyen linealmente con el aumento de la irradiancia espectral de \(PAR_{{text{dir}}}}^{text{E}}) al mediodía en la banda de onda de alta irradiancia espectral (450-650 nm). En el presente estudio, los núcleos PSI y PSII, que no contienen Chl b, mostraron la menor absorbencia en las proximidades de la banda de onda de 460 nm (Figs. 1a, 8), lo que contrasta con los organismos fotosintéticos marinos que están adaptados para mejorar la eficiencia de absorción en el rango de longitud de onda de 450-650 nm. En consecuencia, los cambios en el sistema de recolección de luz pueden haber contribuido en gran medida a la evolución de las plantas verdes terrestres, que están afinadas para reducir el exceso de absorción de energía en lugar de absorber eficientemente los fotones PAR. Como subrayó Ruban (2015), la antena fotosintética se «reinventó» varias veces en el curso de la evolución y, por tanto, procede de múltiples ancestros. El centro de reacción fotoquímico y las antenas centrales de las plantas terrestres sólo incluyen Chl a, que tiene una baja capacidad de absorción de la radiación solar, y a su alrededor se dispone el complejo de antenas periféricas que contiene Chl b y carotenoides. El estado energético de la LHCII se regula y equilibra con precisión mediante diversos mecanismos fotoquímicos (Galka et al. 2012; Ruban 2015), lo que da lugar a que las plantas estén protegidas de una elevada PAR al tiempo que logran una alta eficiencia de absorción de la luz.

Es bien sabido que la luz es el recurso más limitante para el crecimiento de las plantas y que la competencia entre ellas afecta a sus diversas respuestas a los cambios ambientales (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Por lo tanto, el uso eficiente de la PAR en condiciones de nubosidad o sombra puede ser importante. En días soleados, PARdir contribuye en más del 80% a la energía PAR global incidente (Fig. 4m), pero esto disminuye a menos del 50% en días nublados y casi al 0% en mañanas nubladas (Fig. 4n). Por el contrario, PARdiff permanece relativamente estable en cuanto a la cantidad de energía incidente y λmax. Estas diferencias espectrales entre PARdir y PARdiff aseguran que la radiación solar difusa, que tiene mucha menos tendencia a causar la saturación fotosintética del dosel, es utilizada más eficazmente por las copas de las plantas que la radiación solar directa. Por lo tanto, nuestros hallazgos sugieren que el espectro de absorción de LHCII permite el uso eficiente de la radiación PARdiff y del día nublado, y que la radiación difusa y directa desencadenan diferentes respuestas en la fotosíntesis del dosel. La variabilidad del tamaño de la antena LHC, que se refleja en los cambios de absorción espectral, tiene un efecto importante en la distribución de las plantas, ya que permite la flexibilidad en la eficiencia de uso de la PAR y la evitación del fuerte calor producido por la PARdir (por ejemplo, Murchie y Horton 1997). Así, las hojas que están expuestas al sol y a la sombra pueden considerarse adaptadas a PARdir y PARdiff, respectivamente.

En particular, los efectos de las diferencias espectrales entre PARdir y PARdiff son insignificantes para las propiedades de absorción de toda la hoja. Kume (2017) ha demostrado que los espectros de absorción de las hojas intactas de las plantas terrestres funcionan como un cuerpo gris. La absorción de fotones de toda la hoja está regulada eficientemente por los pigmentos fotosintéticos a través de una combinación de la distribución de la densidad de los pigmentos y las estructuras anatómicas de la hoja. Las características espectrales de los absorbentes son factores importantes para la regulación energética de los cloroplastos y los procesos energéticos a menor escala.