Miksi Chl a ja b valikoituivat maanpäälliseen ympäristöön?

Chl a:n absorptiospektrillä oli johdonmukainen taipumus välttää PARdir:iä, ja se tuottaa johdonmukaisesti negatiivisen re- ja rp-arvon PARglb:lle, kun taas Chl b:n absorptiospektrillä oli taipumus absorboida PARdiff:iä, mikä viittaa siihen, että Chl a kykenee tehokkaasti välttämään voimakasta suoraa auringon säteilyä, ja että Chl b kykenee tehokkaasti hyödyntämään hajasäteilyä. Nämä erot johtuvat pienistä siirtymistä absorptiohuippujen sijainnissa ja kaistanleveydessä sinisellä ja punaisella alueella (kuva 1a), ja Chl b:n korkea absorptiotehokkuus PARglb:n suhteen maanpäällisessä ympäristössä liittyy siihen, että sillä on korkeampi Soret-absorptiokaista kuin Chl a:lla ja pisin Soret-aallonpituus Chl-pigmenttien joukossa (n. 452 nm dietyylieetterissä; Mimuro et al. 2011). Tällaiset toiminnalliset erot fotosynteettisten pigmenttien välillä näyttävät olevan varsin sopeutuvia elämään maanpäällisessä säteily-ympäristössä, ja ne viittaavat siihen, että viherlevien esiasteet valikoituivat monista muista vesiympäristössä elävistä fotosynteettisistä organismeista, joilla oli erilaiset fotosynteettiset pigmentit (Björn ym. 2009; Kunugi ym. 2016).

Kunugi ym. (2016) ehdottivat, että Chl b:n poistuminen PSI-ydinantennin sisältämästä PSI-anturista vaikutti suuresti maanpäällisten viherkasvien evoluutioon. Laajentaaksemme tätä käsitystä analysoimme Chl c1:n ja d:n absorptiospektrejä. Chl c1 on Chl c:n yleinen muoto. Se on laajalti levin punalevistä peräisin olevien sekundaaristen endosymbionttien joukossa, ja se soveltuu niiden merellisten elinympäristöjen valo-olosuhteisiin (Garrido et al. 1995). Chl c toimii yhdessä Chl a:n ja karotenoidien kanssa valoa keräävinä pigmentteinä. Chl a:lla on vain heikko absorbanssi 450-650 nm:n välillä, kun taas Chl b:llä tai c:llä on lisääntynyt absorbanssi tällä alueella sekä pitkän että lyhyen aallonpituuden päässä (Kirk 2011). Chl c1:n PARdir- ja PARdiff-arvot olivat samankaltaisia kuin Chl b:n, mutta sen rp-arvot, erityisesti pilvisenä päivänä, olivat alhaisempia kuin Chl b:n (Kuva 5g, h). Chl c1:n PARglb:n rp- ja re-arvot olivat Chl a:n ja b:n arvojen välissä (kuva 7). Chl c1:n absorptiohuippu pitkien aallonpituuksien päässä on huomattavasti pienempi kuin Chl b:n (kuva 1a); näin ollen Chl c1:n absorboima fotonien absorptio pitkien aallonpituuksien alueella on paljon alhaisempi kuin Chl b:n. Tämän seurauksena Chl c1 ei päihitä Chl b:tä valoa keräävänä pigmenttinä maaympäristössä, jossa pidempiä aallonpituisia fotoneja on runsaasti.

Chl d:tä esiintyy vain muutamissa vesiympäristöissä elävissä syanobakteereissa (Kashiyama ym. 2008), ja se on osa valoreaktiokeskuskompleksia sen sijaan, että se esiintyisi pelkkänä apupigmenttinä (Mielke ym. 2011). Mielenkiintoista on, että Chl d:n rp- ja re-arvot olivat johdonmukaisesti Chl a:n ja b:n arvojen välissä ja pysyivät suhteellisen vakioina PAR-luokasta riippumatta (kuvat 5, 7). Näin ollen näyttää siltä, että vesieliön Chl d ei soveltuisi hyvin maanpäälliseen, suoraan hajasäteilyyn perustuvaan ympäristöön, sillä sen absorptio-ominaisuudet eivät olisi tyydyttävät auringon säteilyn välttämiseen tai keräämiseen.

On huomattava, että käytimme tässä tutkimuksessa Chls:n + 10 nm:n siirtynyttä spektritietoa heijastaaksemme valkuaisaineista koostuvaa ympäristöä (kuva 1a). Mielenkiintoista oli kuitenkin, että tällä korjatulla aineistolla oli samanlainen mutta melko heikko korrelaatio auringon säteilyn spektrin kanssa verrattuna aiempaan tutkimukseen (Kume ym. 2016).

Mikä on pigmentti-proteiinikompleksien muodostamisen etu?

Saapuvan säteilyn spektri määrittää pigmenttien absorptiospektrien tehokkuuden, mutta Chl-biosynteesi ja sen säätely alkiofyyteissä riippuvat: kasvilajista, kehitysvaiheesta ja ympäristötekijöistä, kuten valo-olosuhteista, lämpötilasta ja ympäröivän ilmakehän koostumuksesta. Näin ollen klorofyllin muodostumista voidaan säädellä eri tasoilla. On hyvin todettu, että Chl a/b-suhde kasvaa varjostamattomissa olosuhteissa (eli kun PARdir-altistus on korkea) ja vähenee varjoisammissa ympäristöissä (eli kun suhteellinen PARdiff on korkea). Tämä ilmiö esiintyy kaikissa mittakaavoissa, kloroplastin sisäisestä (Anderson ym. 1988), lehdistä (Terashima 1989) ja koko kasvista (Bordman 1977). Lisäksi Kume ja Ino (1993) havaitsivat selkeitä kausittaisia muutoksia Chl a/b-suhteessa ikivihreiden, lehtipuuvartisten pensaiden lehdissä. Chl:t ja karotenoidit muodostavat kasvien tylakoidikalvoissa pigmentti-proteiinikomplekseja. Chl b esiintyy yksinomaan LHC:ssä, jotka toimivat perifeerisinä antenneina (Kunugi ym. 2016). Vihreissä kasveissa PSII:n antennin koko määräytyy LHCII:n määrän mukaan (Jansson 1994; Tanaka ja Tanaka 2011), ja LHCII:n tasot korreloivat vahvasti Chl b:n kertymisen kanssa (Bailey ym. 2001; Jia ym. 2016), jota klorofyllidi a-oksygenaasi syntetisoi klorofyllidaasista Chl a:ta (Tanaka ja Tanaka 2011; Yamasato ym. 2005). Kun kasvit kasvavat alhaisissa valon intensiteeteissä, Chl b:n synteesi tehostuu ja antennin koko kasvaa (Bailey ym. 2001). Koska LHCII on kasvien tärkein valoa keräävä kompleksi ja runsain kalvoproteiini, LHCII-trimerin absorptiospektri saattaa edustaa kloroplastien keskimääräistä absorptiospektriä (Kume 2017). LHCII:n absorptiospektri eroaa merkittävästi yksittäisen Chl-molekyylin tai ydinfotosysteemien absorptiospektristä, erityisesti sekundaarisen absorptiohuipun osalta, joka esiintyy 472 nm:n kohdalla ja jonka olkapää on 653 nm:n kohdalla (kuva 1b).

Ylimääräisen energian absorboitumisen estäminen fotosysteemeissä on olennainen selviytymisstrategia maaympäristöissä, joissa ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on liian alhainen, jotta se pystyisi hyödyntämään saapuvan auringon säteilyn turvallisesti fotosynteesiin, ja fotonien virrantiheys voi heilahtaa useiden kertaluokkien verran (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) havaitsivat, että Chl a:n spektraalinen absorbanssi korreloi voimakkaasti negatiivisesti PARglb:n spektraalisen säteilytiheyden kanssa keskipäivällä, ja Kunugi et al. (2016) osoittivat, että Chl b:n poissulkeminen ydinantenneista on ratkaisevaa korkean valonkestävyyden edistämiseksi. Tässä tutkimuksessa havaitsimme, että PSI- ja PSII-ytimet, jotka eivät sisällä Chl b:tä, osoittivat voimakkaita negatiivisia re- ja rp-arvoja PARdir-olosuhteissa, ja että nämä arvot olivat yleensä negatiivisempia kuin Chl a:n arvot. Chl b:tä sisältävän LHCI:n lisääminen PSI:hen PSI-LHCI:n muodostamiseksi johti kuitenkin re-arvojen kasvuun, kun taas LHCII:n trimeri, jolla on alhaisin a/b-suhde, osoitti korkeimmat re-arvot. Nämä erot johtuivat pääasiassa absorbanssieroista 470 nm:n aaltokaistan läheisyydessä (kuvat 1b, 8). Chl b:n lisääntyminen LHC:ssä nostaa absorbanssia korkealla SIR-aaltokaistalla pikemminkin kuin korkealla SPFD-aaltokaistalla.

Valoa keräävän kompleksi II:n (LHCII) trimerin, fotosysteemi I:n (PSI)-LHCI:n ja PSI:n ytimen spektraalisen absorbanssin ja (a) suoran auringon fotosynteettisesti aktiivisen säteilyn (PAR) spektraalisen säteilyn intensiteetin (a) ja (b) diffuusin auringon PAR:n spektraalisen säteilyn intensiteetin (PAR) väliset suhteet keskipäivällä. Spektrinen absorbanssi on esitetty y-akselilla ja spektrinen irradianssi x-akselilla 3,35 nm:n välein 400-680 nm:n kaistanleveydellä. Pisteet, joiden aallonpituudet ovat peräkkäisiä, on yhdistetty viivalla. Pisteet, joilla on lyhin (400 nm) ja pisin (680 nm) aallonpituus, on merkitty neliöillä ja ristillä. Vaakasuorat katkoviivat osoittavat kunkin fotosysteemin absorbanssin 570 nm:ssä ja pystysuorat nuolet näiden välisen eron, joka johtuu pääasiassa kunkin fotosysteemin tai antennin sisältämästä Chl b:n määrästä

Fotosysteemien ja LHC:iden spektrit on johdonmukaisesti säädetty niin, että vältytään korkealta SPFD:n aallonpituuskaistalta (kuva 8a). Fotosysteemien ja LHC:iden spektrit ovat kuitenkin erilaiset erilaisten Chl b -pitoisuuksien vuoksi, ja niillä on toisiaan täydentävät toiminnalliset suhteet. Verrattuna PSI- ja PSII-ytimiin LHCII:llä on suurempi absorbanssi lyhyen aallonpituuden päässä ja suhteellisen pienempi absorbanssi pitkän aallonpituuden päässä (kuva 1b). Spektriabsorptiohuippu korkealla SIR-aaltoalueella (< 520 nm) on korkea ja korkealla SPFD-aaltoalueella (> 670 nm) matala. Näin ollen, vaikka LHCII:n rp-arvot eroavat vain vähän PSI- ja PSII-ytimien rp-arvoista, spektrinen kokonaisabsorbanssi kasvaa ytimien ja LHC:n yhdistelmällä.

Kaikkien pigmentti-proteiinikompleksien rp-arvot osoittivat voimakasta negatiivista korrelaatiota lukuun ottamatta \(\({{\text{PAR}}}_{{{{{³”a}tekst{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}{³”a}). Tämä on seurausta kompleksien sisältämien karotenoidien absorptiosta. Karotenoideista β-karoteeni sijaitsee lähes yksinomaan PSI- ja PSII-ytimissä, ja luteiini ja muut karotenoidit sijaitsevat LHC:ssä (Esteban ym. 2016). Nämä karotenoidit absorboivat korkeita SIR-fotoneita (400-520 nm) vaimentamatta korkeita SPFD-fotoneita (550-700 nm) ja vähentävät korkeiden SIR-fotonien absorptiota Chlsissä (Kume et al. 2016). Kume (2017) on aiemmin käsitellyt liitännäispigmenttien suodatusvaikutuksia ja määritellyt ylijäämäenergian (Es) absorboituneen fotonienergian lämpönä mahdollisesti vaihtuvaksi energian osaksi. Karotenoidien absorptiospektrit poistavat varsin tehokkaasti fotoneja, jotka tuottavat suuren Es:n. Koska karotenoidit toimivat sekä valon talteenotossa että valosuojauksessa, tarvitaan lisätutkimuksia, jotta ymmärretään karotenoidien toiminnallista erilaistumista pigmentti-proteiinikomplekseissa.

LHCII on PSII:n perifeerinen antenni, ja se voi assosioitua PSI:n kanssa valo-olosuhteista riippuen (esim. Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). LHCI-kompleksit välittävät energeettistä vuorovaikutusta ”ylimääräisen” LHCII:n ja PSI-ytimen välillä ehjässä kalvossa (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Kasveilla on paljon suurempi kyky haihduttaa LHCII-antennin absorboima valoenergia lämpönä. Tämä voisi olla yksi tärkeimmistä syistä suojata ydinantennia voimakkaalta auringon säteilyltä.

Miksi kasvit absorboivat vähemmän vihreää valoa?

Koska valonkäytön tehokkuus on tärkeä osa biomassan tuotantoa, on ehdotettu useita lehtien fotosynteesimalleja, jotka ottavat huomioon valon absorptioprofiilin perustuen PAR-fotonien optimaaliseen käyttöön maanpäällisessä ympäristössä. Useimmissa tätä koskevissa keskusteluissa on keskitytty PAR-fotonien tehokkaaseen käyttöön fotosynteesissä. Kuitenkin myös auringosta tulevan säteilyn spektriominaisuuksien ja kloroplastien energiatasapainon sekä pigmenttiominaisuuksien väliset suhteet ja tavat, joilla nämä vaikuttavat lehtien fysiologisiin olosuhteisiin, ovat ratkaisevan tärkeitä (Kume 2017).

Vihreän spektrin alueen (500-570 nm) aaltokaista vastaa voimakkaan, suunnatun auringon säteilyn aaltokaistaa keskipäivällä kirkkaalla taivaalla (kuvat 3a, 4i). Tässä tutkimuksessa PSI- ja PSII-ytimet, jotka eivät sisällä Chl b:tä, osoittivat alhaisinta absorbanssia 460 nm:n aallonpituusalueen läheisyydessä (kuvat 1a, 8), mikä on ristiriidassa meren fotosynteettisten organismien kanssa, jotka ovat sopeutuneet parantamaan absorptiotehokkuutta 450-650 nm:n aallonpituusalueella. Näin ollen valoa keräävässä järjestelmässä tapahtuneet muutokset ovat saattaneet vaikuttaa suuresti maanpäällisten vihreiden kasvien evoluutioon, jotka on hienosäädetty vähentämään ylimääräisen energian absorptiota sen sijaan, että ne absorboivat PAR-fotoneita tehokkaasti. Kuten Ruban (2015) korosti, fotosynteettistä antennia ”keksittiin uudelleen” useita kertoja evoluution aikana, joten se on peräisin useista esi-isistä. Maakasvien fotokemiallinen reaktiokeskus ja ydinantenni sisältävät vain Chl a:ta, jolla on alhainen auringonsäteilyn absorptiokyky, ja tämän ympärille on järjestetty Chl b:tä ja karotenoideja sisältävä perifeerinen antennikompleksi. LHCII:n energiatilaa säädellään ja tasapainotetaan tarkasti erilaisilla fotokemiallisilla mekanismeilla (Galka ym. 2012; Ruban 2015), mikä johtaa siihen, että kasvit ovat suojassa korkealta PAR-pitoisuudelta ja saavuttavat samalla korkean valon absorptiotehokkuuden.

On hyvin tiedossa, että valo on kasvien kasvun rajoittavin resurssi ja että kasvien välinen kilpailu vaikuttaa niiden erilaisiin vasteisiin ympäristömuutoksiin (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon ym. 2014). Näin ollen PAR:n tehokas käyttö pilvisissä tai varjoisissa olosuhteissa voi olla tärkeää. Aurinkoisina päivinä PARdir osallistuu yli 80-prosenttisesti globaaliin PAR-energiaan (kuva 4m), mutta tämä laskee alle 50 prosenttiin pilvisinä päivinä ja lähes 0 prosenttiin pilvisinä aamuina (kuva 4n). Sitä vastoin PARdiff pysyy suhteellisen vakaana, kun otetaan huomioon saapuvan energian määrä ja λmax. Nämä spektriset erot PARdir- ja PARdiff-arvojen välillä varmistavat, että kasvien latvustot hyödyntävät tehokkaammin auringon hajasäteilyä, jolla on paljon vähemmän taipumusta aiheuttaa latvuksen fotosynteettistä kyllästymistä, kuin suoraa auringon säteilyä. Tuloksemme viittaavat siis siihen, että LHCII:n absorptiospektri mahdollistaa PARdiff- ja pilvipäivän säteilyn tehokkaan käytön ja että hajasäteily ja suora säteily aiheuttavat erilaisia reaktioita latvuston fotosynteesissä. LHC-antennin koon muunneltavuus, joka näkyy spektriabsorption muutoksina, vaikuttaa merkittävästi kasvien jakaantumiseen, koska se mahdollistaa joustavuuden PAR:n käytön tehokkuudessa ja PARdir:n tuottaman voimakkaan lämmön välttämisen (esim. Murchie ja Horton 1997). Näin ollen lehtiä, jotka altistuvat auringolle ja varjolle, voidaan pitää PARdir- ja PARdiff-sopeutuneina.

Huomionarvoista on, että PARdir- ja PARdiff-luokkien välisten spektristen erojen vaikutukset ovat merkityksettömiä koko lehden absorptio-ominaisuuksien kannalta. Kume (2017) on osoittanut, että maakasvien ehjien lehtien absorptiospektrit toimivat harmaana kappaleena. Fotosynteettiset pigmentit säätelevät tehokkaasti koko lehden fotoniabsorptiota pigmenttien tiheysjakauman ja lehden anatomisten rakenteiden yhdistelmän avulla. Absorbanttien spektriominaisuudet ovat tärkeitä tekijöitä kloroplastien ja pienemmän mittakaavan energiaprosessien energiansäätelyn kannalta.