Perché le clorofille a e b sono state selezionate nell’ambiente terrestre?

Lo spettro di assorbimento della clorofilla a ha mostrato una consistente tendenza ad evitare la PARdir e produce consistenti re e rp negativi della PARglb, mentre quello della clorofilla b tende ad assorbire la PARdiff, suggerendo che la clorofilla a può effettivamente evitare la forte radiazione solare diretta e la clorofilla b può utilizzare in modo efficiente la radiazione solare diffusa. Queste differenze sono causate da leggeri spostamenti nella posizione e nella larghezza di banda dei picchi di assorbimento nelle regioni blu e rossa (Fig. 1a), con l’alta efficienza di assorbimento di Chl b per PARglb nell’ambiente terrestre che è legata al fatto che ha una banda di assorbimento Soret più alta di Chl a e la più lunga lunghezza d’onda Soret tra i pigmenti Chl (circa 452 nm in etere dietilico; Mimuro et al. 2011). Tali differenze funzionali tra i pigmenti fotosintetici sembrano essere abbastanza adattivi per la vita nell’ambiente di radiazione terrestre e suggeriscono che i progenitori algali verdi sono stati selezionati dai molti altri organismi fotosintetici che vivono in un ambiente acquatico con diversi pigmenti fotosintetici (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) hanno suggerito che l’eliminazione di Chl b dalle antenne PSI core ha contribuito notevolmente all’evoluzione delle piante verdi terrestri. Per estendere questo concetto, abbiamo analizzato gli spettri di assorbimento di Chl c1 e d. Chl c1 è una forma comune di Chl c. È ampiamente distribuita tra gli endosimbionti secondari derivati dalle alghe rosse ed è adatta alle condizioni di luce dei loro habitat marini (Garrido et al. 1995). Chl c funziona insieme a Chl a e ai carotenoidi come pigmenti di raccolta della luce. La Chl a mostra solo una debole assorbanza tra 450 e 650 nm, mentre la Chl b o la c mostrano una maggiore assorbanza all’interno di questo intervallo sia all’estremità della lunghezza d’onda lunga che di quella corta (Kirk 2011). Il re per PARdir e PARdiff di Chl c1 erano simili a quelli di Chl b, ma i suoi valori rp, soprattutto nel giorno nuvoloso, erano inferiori a quelli di Chl b (Fig. 5g, h). I valori rp e re per PARglb di Chl c1 erano compresi tra quelli di Chl a e b (Fig. 7). Il picco di assorbanza di Chl c1 all’estremità di lunghezza d’onda lunga è significativamente più piccolo di quello di Chl b (Fig. 1a), quindi, l’assorbimento di fotoni da Chl c1 nella regione di lunghezza d’onda lunga diventa molto inferiore a quello di Chl b. Di conseguenza, Chl c1 non supera Chl b come un pigmento di raccolta della luce nell’ambiente terrestre, dove i fotoni di lunghezza d’onda più lunga sono abbondanti.

Chl d si trova solo in pochi cianobatteri che abitano ambienti acquatici (Kashiyama et al. 2008) e costituisce parte del complesso del centro di reazione alla luce piuttosto che essere semplicemente un pigmento accessorio (Mielke et al. 2011). È interessante notare che i valori rp e re di Chl d si trovano costantemente tra quelli di Chls a e b e sono rimasti relativamente costanti indipendentemente dalla classe PAR (Figg. 5, 7). Così, sembra che Chl d acquatico non sarebbe adatto per l’ambiente terrestre, diretta-diffusa radiazione, come le sue caratteristiche di assorbimento sarebbe insoddisfacente per evitare o raccogliere la radiazione solare.

Si nota che abbiamo usato + 10 nm spostati dati spettrali di Chls nello studio attuale per riflettere l’ambiente proteinaceous (Fig. 1a). È interessante notare, tuttavia, che questo set di dati corretti aveva una correlazione simile ma piuttosto debole con la radiazione solare spettrale rispetto alla ricerca precedente (Kume et al. 2016).

Qual è il vantaggio di formare complessi pigmento-proteina?

Lo spettro della radiazione incidente determina l’efficacia degli spettri di assorbimento dei pigmenti, ma la biosintesi di Chl e la sua regolazione nelle embriofite dipendono da: specie vegetali, stadio di sviluppo e fattori ambientali, come le condizioni di luce, la temperatura e la composizione dell’atmosfera ambientale. Così, la formazione della clorofilla può essere regolata a vari livelli. È ben stabilito che il rapporto Chl a/b aumenta in condizioni non ombreggiate (cioè, quando l’esposizione alla PARdir è alta) e diminuisce in ambienti più ombreggiati (cioè, quando la PARdiff relativa è elevata). Questo fenomeno si verifica in tutte le dimensioni di scala, dall’intra-cloroplasto (Anderson et al. 1988) fino alle foglie (Terashima 1989) e all’intera pianta (Bordman 1977). Inoltre, Kume e Ino (1993) hanno osservato chiari cambiamenti stagionali nel rapporto Chl a/b nelle foglie di arbusti sempreverdi a foglia larga. Chl e carotenoidi nelle membrane tilakoidi delle piante formano complessi pigmento-proteici. Il Chl b si presenta esclusivamente negli LHC, che funzionano come antenne periferiche (Kunugi et al. 2016). Nelle piante verdi, la dimensione dell’antenna del PSII è determinata dalla quantità di LHCII (Jansson 1994; Tanaka e Tanaka 2011) e i livelli di LHCII sono altamente correlati con l’accumulo di Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), che viene sintetizzato da Chl a dalla clorofillide a ossigenasi (Tanaka e Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Quando le piante crescono in condizioni di bassa intensità luminosa, la sintesi di Chl b è potenziata e le dimensioni dell’antenna aumentano (Bailey et al. 2001). Poiché LHCII è il principale complesso di raccolta della luce delle piante e la proteina di membrana più abbondante, lo spettro di assorbimento del trimero LHCII può rappresentare lo spettro di assorbimento medio del cloroplasto (Kume 2017). Lo spettro di assorbimento di LHCII è significativamente diverso da una singola molecola Chl o dai fotosistemi del nucleo, in particolare per quanto riguarda il picco di assorbimento secondario che si verifica a 472 nm con una spalla a 653 nm (Fig. 1b).

Evitare l’assorbimento di energia in eccesso nei fotosistemi è una strategia di sopravvivenza essenziale in ambienti terrestri, dove la concentrazione atmosferica di CO2 è troppo bassa per utilizzare la radiazione solare incidente in modo sicuro per la fotosintesi e la densità del flusso di fotoni può oscillare di diversi ordini di grandezza (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) hanno trovato che l’assorbanza spettrale di Chl a è fortemente correlata negativamente con l’irradianza spettrale di PARglb a mezzogiorno e Kunugi et al. (2016) hanno dimostrato che l’esclusione di Chl b dalle antenne del nucleo è fondamentale per promuovere la resistenza all’alta luce. Nel presente studio, abbiamo trovato che i nuclei PSI e PSII, che non includono Chl b, hanno mostrato forti valori negativi di re e rp sotto PARdir, e che questi valori tendevano ad essere più negativi di quelli per Chl a. Tuttavia, l’aggiunta di LHCI, che include Chl b, a PSI per formare PSI-LHCI ha portato ad un aumento di re, mentre il trimero LHCII, che ha il più basso rapporto a/b, ha mostrato i più alti valori di re. Queste differenze sono state causate principalmente da differenze di assorbanza in prossimità della banda d’onda 470-nm (Figg. 1b, 8). L’aumento di Chl b nelle LHC aumenta l’assorbanza nella banda d’onda SIR alta piuttosto che quella nella banda d’onda SPFD alta.

Relazioni tra l’assorbanza spettrale del complesso di raccolta della luce II (LHCII) trimer, del fotosistema I (PSI)-LHCI, e del nucleo PSI e l’irradiazione spettrale di (a) radiazione solare diretta fotosinteticamente attiva (PAR) e (b) PAR solare diffusa a mezzogiorno. L’assorbanza spettrale è tracciata sull’asse y e l’irradianza spettrale sull’asse x a intervalli di 3,35-nm nella larghezza di banda 400-680-nm. I punti con lunghezze d’onda consecutive sono collegati con una linea. I punti con la lunghezza d’onda più corta (400 nm) e più lunga (680 nm) sono indicati da quadrati e croci, rispettivamente. Le linee tratteggiate orizzontali indicano l’assorbanza di ogni fotosistema a 570 nm e le frecce verticali indicano la differenza tra questi, che è principalmente causata dalla quantità di Chl b contenuta in ogni fotosistema o antenna

Gli spettri dei fotosistemi e degli LHC sono costantemente regolati per evitare la banda d’onda SPFD alta (Fig. 8a). Tuttavia, gli spettri dei fotosistemi e degli LHC sono diversi a causa dei diversi contenuti di Chl b e hanno relazioni funzionali complementari. Rispetto ai nuclei PSI e PSII, LHCII mostra una maggiore assorbanza sull’estremità della lunghezza d’onda breve e una assorbanza relativamente più bassa sull’estremità della lunghezza d’onda lunga (Fig. 1b). Il picco di assorbanza spettrale nella banda d’onda SIR alta (< 520 nm) è alta e quella nella banda d’onda SPFD alta (> 670 nm) è bassa. Pertanto, anche se i valori rp di LHCII sono solo leggermente diversi da quelli dei nuclei PSI e PSII, l’assorbanza spettrale totale aumenta con la combinazione di nuclei e LHC.

I valori rp di tutti i complessi pigmento-proteina hanno mostrato una forte correlazione negativa con l’eccezione di \({testo{PAR}}_{{{testo{diff}}}}^{testo{P}}}). Questo è il risultato dell’assorbimento da parte dei carotenoidi nei complessi. Tra i carotenoidi, il β-carotene si trova quasi esclusivamente nei nuclei PSI e PSII, mentre la luteina e altri carotenoidi si trovano negli LHC (Esteban et al. 2016). Questi carotenoidi assorbono fotoni ad alto SIR (400-520 nm) senza attenuazione in fotoni ad alto SPFD (550-700 nm), e riducono l’assorbimento di fotoni ad alto SIR da parte dei Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) ha precedentemente discusso gli effetti di filtraggio dei pigmenti accessori e ha definito il surplus di energia (Es) come la parte di energia potenzialmente scambiata come calore nell’energia dei fotoni assorbiti. Gli spettri di assorbimento dei carotenoidi sono abbastanza efficaci per eliminare i fotoni che producono un alto Es. Poiché i carotenoidi funzionano sia nella cattura della luce che nella fotoprotezione, sono necessari ulteriori studi per comprendere la differenziazione funzionale dei carotenoidi nei complessi pigmento-proteina.

In particolare, LHCII è l’antenna periferica per PSII e può associarsi con PSI a seconda delle condizioni di luce (ad esempio, Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). I complessi LHCI mediano l’interazione energetica tra LHCII “extra” e il nucleo PSI nella membrana intatta (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Le piante hanno una capacità molto maggiore di dissipare l’energia luminosa assorbita dall’antenna LHCII come calore. Questo potrebbe essere uno dei motivi principali per proteggere l’antenna centrale dalla forte radiazione solare.

Perché le piante assorbono meno luce verde?

Siccome l’efficienza dell’uso della luce è una componente importante della produzione di biomassa, sono stati proposti diversi modelli di fotosintesi fogliare che considerano il profilo di assorbimento della luce basato sull’uso ottimale dei fotoni PAR nell’ambiente terrestre. La maggior parte delle discussioni in merito si sono concentrate sull’uso efficiente dei fotoni PAR incidenti nella fotosintesi. Tuttavia, le relazioni tra le caratteristiche spettrali della radiazione incidente dal sole e il bilancio energetico dei cloroplasti e le caratteristiche dei pigmenti, e i modi in cui questi influenzano le condizioni fisiologiche delle foglie sono anche di fondamentale importanza (Kume 2017).

La banda d’onda della regione verde dello spettro (500-570 nm) è identica a quella dell’irraggiamento solare forte e direzionale a mezzogiorno sotto un cielo sereno (Figg. 3a, 4i). Kume et al. (2016) hanno mostrato che le assorbanze spettrali dei fotosistemi PSI-LHCI e LHCII e delle foglie intatte diminuiscono linearmente con l’aumento dell’irradianza spettrale di \(PAR_{{{dir}}}}^{{{testo{E}}}) a mezzogiorno nella banda d’onda dell’alta irradianza spettrale (450-650 nm). Nel presente studio, i nuclei PSI e PSII, che non contengono Chl b, hanno mostrato la più bassa assorbanza in prossimità della banda d’onda 460-nm (Figg. 1a, 8), che contrasta con gli organismi fotosintetici marini che sono adattati a migliorare l’efficienza di assorbimento nella gamma di lunghezza d’onda 450-650 nm. Di conseguenza, i cambiamenti nel sistema di raccolta della luce possono aver contribuito notevolmente all’evoluzione delle piante verdi terrestri, che sono sintonizzate per ridurre l’assorbimento di energia in eccesso piuttosto che assorbire i fotoni PAR in modo efficiente. Come ha sottolineato Ruban (2015), l’antenna fotosintetica è stata “reinventata” un certo numero di volte nel corso dell’evoluzione e quindi ha origine da più antenati. Il centro di reazione fotochimica e le antenne centrali delle piante terrestri includono solo Chl a, che ha una bassa assorbibilità delle radiazioni solari, mentre il complesso periferico dell’antenna contenente Chl b e carotenoidi è disposto intorno a questo. Lo stato energetico di LHCII è precisamente regolato e bilanciato da vari meccanismi fotochimici (Galka et al. 2012; Ruban 2015), con il risultato che le piante sono protette da un’elevata PAR mentre raggiungono un’alta efficienza di assorbimento della luce.

È noto che la luce è la risorsa più limitante per la crescita delle piante e che la competizione tra le piante influenza le loro varie risposte ai cambiamenti ambientali (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Pertanto, l’uso efficiente di PAR in condizioni di nuvolosità o ombra può essere importante. Nei giorni di sole, PARdir contribuisce per più dell’80% all’energia PAR globale incidente (Fig. 4m), ma questo diminuisce a meno del 50% nei giorni nuvolosi e quasi allo 0% nelle mattine nuvolose (Fig. 4n). Al contrario, PARdiff rimane relativamente stabile in termini di quantità di energia incidente e λmax. Queste differenze spettrali tra PARdir e PARdiff assicurano che la radiazione solare diffusa, che ha molta meno tendenza a causare la saturazione fotosintetica delle chiome, è utilizzata più efficacemente dalle chiome delle piante rispetto alla radiazione solare diretta. Quindi, i nostri risultati suggeriscono che lo spettro di assorbimento di LHCII permette l’uso efficiente della radiazione PARdiff e della radiazione del giorno nuvoloso, e che la radiazione diffusa e quella diretta innescano risposte diverse nella fotosintesi delle chiome. La modificabilità delle dimensioni dell’antenna LHC, che si riflette nei cambiamenti nell’assorbimento spettrale, ha un effetto importante sulla distribuzione delle piante, in quanto consente la flessibilità nell’efficienza dell’uso di PAR ed evita il forte calore prodotto da PARdir (ad esempio, Murchie e Horton 1997). Quindi, le foglie esposte al sole e all’ombra possono essere considerate rispettivamente adattate a PARdir e PARdiff.

In particolare, gli effetti delle differenze spettrali tra PARdir e PARdiff sono trascurabili per le proprietà di assorbimento delle foglie intere. Kume (2017) ha dimostrato che gli spettri di assorbimento delle foglie intatte delle piante terrestri funzionano come un corpo grigio. L’assorbimento dei fotoni dell’intera foglia è regolato in modo efficiente dai pigmenti fotosintetici attraverso una combinazione di distribuzione della densità dei pigmenti e strutture anatomiche della foglia. Le caratteristiche spettrali degli assorbitori sono fattori importanti per la regolazione energetica dei cloroplasti e dei processi energetici su piccola scala.