Miért szelektálódott a Chl a és b a szárazföldi környezetben?
A Chl a abszorpciós spektruma következetes tendenciát mutatott a PARdir elkerülésére, és következetesen negatív re és rp PARglb értékeket produkál, míg a Chl b abszorpciós spektruma a PARdiff elnyelésére hajlamos, ami arra utal, hogy a Chl a hatékonyan el tudja kerülni az erős, közvetlen napsugárzást, a Chl b pedig hatékonyan tudja használni a diffúz napsugárzást. Ezeket a különbségeket az abszorpciós csúcsok helyzetének és sávszélességének enyhe eltolódása okozza a kék és vörös tartományban (1a. ábra), a Chl b magas abszorpciós hatékonysága a PARglb számára a földi környezetben azzal függ össze, hogy a Chl b abszorpciós sávja magasabb, mint a Chl a-é, és a Chl-pigmentek közül a leghosszabb Soret-hullámhosszú (kb. 452 nm dietil-éterben; Mimuro et al. 2011). A fotoszintetikus pigmentek közötti ilyen funkcionális különbségek meglehetősen adaptívnak tűnnek a földi sugárzási környezetben való élethez, és arra utalnak, hogy a zöld algák elődei a vízi környezetben élő sok más, eltérő fotoszintetikus pigmentekkel rendelkező fotoszintetikus szervezetből szelektálódtak (Björn és mtsai. 2009; Kunugi és mtsai. 2016).
Kunugi és mtsai. (2016) szerint a Chl b eltávolítása a PSI magantennákból nagyban hozzájárult a földi zöld növények evolúciójához. Ennek az elképzelésnek a kiterjesztése érdekében elemeztük a Chl c1 és d abszorpciós spektrumát. A Chl c1 a Chl c egy gyakori formája. Széles körben elterjedt a vörös algákból származó másodlagos endoszimbionták között, és alkalmas a tengeri élőhelyeik fényviszonyaihoz (Garrido et al. 1995). A Chl c a Chl a-val és a karotinoidokkal együtt fénygyűjtő pigmentként működik. A Chl a csak gyenge abszorbanciát mutat 450 és 650 nm között, míg a Chl b vagy c ebben a tartományban mind a hosszú, mind a rövid hullámhosszú végeken fokozott abszorbanciát mutat (Kirk 2011). A Chl c1 PARdir és PARdiff re értékei hasonlóak voltak, mint a Chl b-é, de az rp értékei, különösen a felhős napon, alacsonyabbak voltak, mint a Chl b-é (5g, h ábra). A Chl c1 PARglb rp és re értékei a Chl a és b értékei között voltak (7. ábra). A Chl c1 abszorpciós csúcsa a hosszú hullámhosszúság végén jelentősen kisebb, mint a Chl b-é (1a. ábra); így a Chl c1 fotonok abszorpciója a hosszú hullámhosszú tartományban sokkal kisebb lesz, mint a Chl b-é. Ennek eredményeként a Chl c1 nem haladja meg a Chl b-t fénygyűjtő pigmentként a szárazföldi környezetben, ahol a hosszabb hullámhosszú fotonok bőségesek.
A Chl d csak néhány vízi környezetben élő cianobaktériumban fordul elő (Kashiyama et al. 2008), és a fényreakciós központ komplex részeként, nem pedig csupán járulékos pigmentként fordul elő (Mielke et al. 2011). Érdekes módon a Chl d rp és re értékei következetesen a Chl a és b értékei között helyezkedtek el, és viszonylag állandóak maradtak a PAR-osztálytól függetlenül (5., 7. ábra). Úgy tűnik tehát, hogy a vízi Chl d nem lenne alkalmas a szárazföldi, közvetlen-diffúz sugárzási környezetre, mivel abszorpciós jellemzői nem lennének kielégítőek a napsugárzás elkerülésére vagy összegyűjtésére.
Megjegyezzük, hogy a Chls + 10 nm-rel eltolt spektrális adatait használtuk a jelenlegi vizsgálatban, hogy tükrözze a fehérjés környezetet (1a. ábra). Érdekes módon azonban ez a korrigált adatsor a korábbi kutatáshoz (Kume et al. 2016) képest hasonló, de meglehetősen gyenge korrelációt mutatott a napsugárzás spektrumával.
Mi az előnye a pigment-fehérje komplexek kialakításának?
A beeső sugárzás spektruma határozza meg a pigmentek abszorpciós spektrumának hatékonyságát, de a Chl bioszintézis és annak szabályozása az embriofitonokban függ: a növényfajoktól, a fejlődési stádiumtól és a környezeti tényezőktől, mint például a fényviszonyok, a hőmérséklet és a környezeti légkör összetétele. Így a klorofillképződés különböző szinteken szabályozható. Jól ismert, hogy a Chl a/b arány árnyéktalan körülmények között (azaz magas PARdir-expozíció esetén) nő, árnyékosabb környezetben (azaz emelkedett relatív PARdiff esetén) pedig csökken. Ez a jelenség a skála minden nagyságrendjében előfordul, a kloroplasztiszon belüli (Anderson et al. 1988), a leveleken (Terashima 1989) és az egész növényen (Bordman 1977) keresztül. Továbbá Kume és Ino (1993) egyértelmű szezonális változásokat figyelt meg a Chl a/b arányban örökzöld, lombhullató cserjék leveleiben. A növényi tilakoidmembránokban a Chl al és a karotinoidok pigment-fehérje komplexeket alkotnak. A Chl b kizárólag az LHC-kben fordul elő, amelyek perifériás antennaként működnek (Kunugi et al. 2016). Zöld növényekben a PSII antennájának méretét az LHCII mennyisége határozza meg (Jansson 1994; Tanaka és Tanaka 2011), és az LHCII szintje erősen korrelál a Chl b felhalmozódásával (Bailey és mtsai. 2001; Jia és mtsai. 2016), amelyet a klorofilid a oxigenáz szintetizál Chl a-ból (Tanaka és Tanaka 2011; Yamasato és mtsai. 2005). Amikor a növények alacsony fényintenzitás mellett nőnek, a Chl b szintézise fokozódik és az antenna mérete megnő (Bailey et al. 2001). Mivel az LHCII a növények fő fénynyerő komplexe és a legnagyobb mennyiségben előforduló membránfehérje, az LHCII trimer abszorpciós spektruma reprezentálhatja az átlagos kloroplasztisz abszorpciós spektrumot (Kume 2017). Az LHCII abszorpciós spektruma jelentősen eltér az egyetlen Chl-molekulától vagy a magfotoszisztémáktól, különösen a másodlagos abszorpciós csúcsot tekintve, amely 472 nm-nél jelentkezik, egy 653 nm-nél lévő válldal (1b ábra).
A felesleges energiaelnyelés megakadályozása a fotoszisztémákban alapvető túlélési stratégia a szárazföldi környezetben, ahol a légköri CO2-koncentráció túl alacsony ahhoz, hogy a beeső napsugárzást biztonságosan hasznosítani lehessen a fotoszintézisben, és a fotonáram-sűrűség több nagyságrenddel is ingadozhat (Kume 2017; Ruban 2015). Kume és munkatársai (2016) megállapították, hogy a Chl a spektrális abszorbanciája erősen negatívan korrelál a PARglb spektrális besugárzási sűrűségével délben, Kunugi és munkatársai (2016) pedig kimutatták, hogy a Chl b kizárása a magantennákból döntő fontosságú a magas fényállóság elősegítése szempontjából. Jelen tanulmányban azt találtuk, hogy a Chl b-t nem tartalmazó PSI és PSII magok erős negatív re és rp értékeket mutattak PARdir alatt, és ezek az értékek általában negatívabbak voltak, mint a Chl a esetében, azonban a Chl b-t tartalmazó LHCI hozzáadása a PSI-hez PSI-LHCI kialakításához a re értékek növekedéséhez vezetett, míg az LHCII trimer, amelynek a legkisebb a/b aránya van, a legmagasabb re értékeket mutatta. Ezeket a különbségeket elsősorban a 470 nm-es hullámsáv közelében lévő abszorbancia különbségek okozták (1b., 8. ábra). A Chl b növekedése az LHC-kben inkább emeli az abszorbanciát a magas SIR hullámsávban, mint a magas SPFD hullámsávban.
A fénynyerő komplex II (LHCII) trimer, a fotoszisztéma I (PSI)-LHCI és a PSI mag spektrális abszorbanciája és a (a) közvetlen szoláris fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR) és (b) a diffúz szoláris PAR spektrális besugárzása közötti összefüggések délben. A spektrális abszorbancia az y-tengelyen, a spektrális besugárzás pedig az x-tengelyen van ábrázolva 3,35 nm-es intervallumokban a 400-680 nm-es sávszélességben. Az egymást követő hullámhosszú pontokat vonal köti össze. A legrövidebb (400 nm) és a leghosszabb (680 nm) hullámhosszúságú pontokat négyzetek, illetve keresztek jelzik. A vízszintes szaggatott vonalak az egyes fotoszisztémák 570 nm-en mért abszorbanciáját, a függőleges nyilak pedig az ezek közötti különbséget jelzik, amelyet elsősorban az egyes fotoszisztémákban vagy antennákban található Chl b mennyisége okoz
A fotoszisztémák és LHC-k spektrumát következetesen úgy állítottuk be, hogy elkerüljük a magas SPFD hullámsávot (8a. ábra). A fotoszisztémák és az LHC-k spektrumai azonban az eltérő Chl b-tartalom miatt eltérőek, és egymást kiegészítő funkcionális kapcsolatokkal rendelkeznek. A PSI és PSII magokhoz képest az LHCII a rövid hullámhosszúság végén nagyobb abszorbanciát, a hosszú hullámhosszúság végén pedig viszonylag kisebb abszorbanciát mutat (1b. ábra). A spektrális abszorpciós csúcs a magas SIR hullámsávban (< 520 nm) magas, a magas SPFD hullámsávban (> 670 nm) pedig alacsony. Ezért, bár az LHCII rp-értékei csak kis mértékben különböznek a PSI és PSII magok rp-értékeitől, a teljes spektrális abszorbancia nő a magok és az LHC-k kombinációjával.
Az összes pigment-fehérje komplex rp-értéke erős negatív korrelációt mutatott, kivéve a \({\text{PAR}}_{{{{\text{diff}}}}^{{{\text{P}}}}\) kivételével. Ez a komplexek karotinoidok általi abszorpciójának eredménye. A karotinoidok közül a β-karotin szinte kizárólag a PSI és PSII magokban található, a lutein és más karotinoidok pedig az LHC-kben (Esteban et al. 2016). Ezek a karotinoidok a magas SIR-fotonokat (400-520 nm) a magas SPFD-fotonok (550-700 nm) csillapítása nélkül elnyelik, és csökkentik a magas SIR-fotonok Chls általi elnyelését (Kume et al. 2016). Kume (2017) korábban tárgyalta a járulékos pigmentek szűrőhatásait, és a többletenergiát (Es) az elnyelt fotonenergiában potenciálisan hő formájában kicserélődő energia részeként definiálta. A karotinoidok abszorpciós spektruma meglehetősen hatékonyan távolítja el a magas Es-t eredményező fotonokat. Mivel a karotinoidok egyszerre működnek a fénybefogásban és a fényvédelemben, további vizsgálatok szükségesek a karotinoidok pigment-fehérje komplexekben való funkcionális differenciálódásának megértéséhez.
Az LHCII a PSII perifériás antennája, és a fényviszonyoktól függően társulhat a PSI-vel (pl. Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Az LHCI-komplexek közvetítik az “extra” LHCII és a PSI mag közötti energetikai kölcsönhatást az ép membránban (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). A növények sokkal nagyobb mértékben képesek az LHCII antenna által elnyelt fényenergiát hő formájában disszipálni. Ez lehet az egyik fő oka annak, hogy a magantennát megvédik az erős napsugárzástól.
Miért nyelnek el a növények kevesebb zöld fényt?
Mivel a fényfelhasználás hatékonysága a biomassza-termelés fontos összetevője, számos levélfotoszintézis-modellt javasoltak, amelyek a PAR-fotonok optimális felhasználásán alapuló fényelnyelési profilt veszik figyelembe a földi környezetben. Az ezzel kapcsolatos legtöbb vita a beeső PAR-fotonok fotoszintézisben való hatékony felhasználására összpontosított. Ugyanakkor a beeső napsugárzás spektrális jellemzői és a kloroplasztiszok energiamérlege, valamint a pigmentek jellemzői közötti összefüggések, és az, hogy ezek hogyan befolyásolják a levél fiziológiai állapotát, szintén döntő fontosságúak (Kume 2017).
A zöld tartomány hullámsávja (500-570 nm) megegyezik az erős, irányított napsugárzáséval délben, tiszta ég alatt (3a., 4i. ábra). Kume és munkatársai (2016) kimutatták, hogy a PSI-LHCI és az LHCII fotoszisztémák, valamint az ép levelek spektrális abszorbanciája lineárisan csökken a \(PAR_{{\text{dir}}}}^{\text{E}}}}\) spektrális besugárzási intenzitás növekedésével délben a nagy spektrális besugárzás hullámsávjában (450-650 nm). Jelen vizsgálatban a Chl b-t nem tartalmazó PSI és PSII magok a 460 nm-es hullámsáv közelében mutatták a legalacsonyabb abszorpciót (1a., 8. ábra), ami ellentétben áll a tengeri fotoszintetikus szervezetekkel, amelyek alkalmazkodtak az abszorpciós hatékonyság növeléséhez a 450-650 nm-es hullámhossztartományban. Következésképpen a fénygyűjtő rendszerben bekövetkezett változások nagyban hozzájárulhattak a szárazföldi zöld növények evolúciójához, amelyek a PAR-fotonok hatékony elnyelése helyett a felesleges energiaelnyelés csökkentésére vannak finomhangolva. Ahogy Ruban (2015) hangsúlyozta, a fotoszintetikus antennát az evolúció során többször is “újra feltalálták”, ezért több őstől származik. A szárazföldi növények fotokémiai reakcióközpontja és magantennája csak az alacsony napsugárzás-elnyelő képességű Chl a-t tartalmazza, e köré rendeződik a Chl b-t és a karotinoidokat tartalmazó perifériás antennakomplex. Az LHCII energiaállapota különböző fotokémiai mechanizmusok segítségével pontosan szabályozott és kiegyensúlyozott (Galka et al. 2012; Ruban 2015), aminek eredményeként a növények védve vannak a magas PAR-értékektől, miközben magas fényelnyelési hatékonyságot érnek el.
Tudott, hogy a fény a növények növekedésének legkorlátozóbb erőforrása, és hogy a növények közötti verseny befolyásolja a környezeti változásokra adott különböző válaszaikat (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Ezért fontos lehet a PAR hatékony felhasználása felhős vagy árnyékos körülmények között. Napos napokon a PARdir több mint 80%-kal járul hozzá a beeső globális PAR-energiához (4m. ábra), de ez felhős napokon 50% alá csökken, felhős reggeleken pedig majdnem 0%-ra (4n. ábra). Ezzel szemben a PARdiff viszonylag stabil marad a beeső energia mennyiségét és a λmax-ot tekintve. A PARdir és a PARdiff közötti spektrális különbségek biztosítják, hogy a diffúz napsugárzást, amely sokkal kevésbé hajlamos a lombkorona fotoszintetikus telítettségét okozni, a növénytakaró hatékonyabban használja fel, mint a közvetlen napsugárzást. Eredményeink tehát arra utalnak, hogy az LHCII abszorpciós spektruma lehetővé teszi a PARdiff és a felhősugarak hatékony felhasználását, és hogy a diffúz és a közvetlen sugárzás eltérő válaszokat vált ki a lombkorona fotoszintézisében. Az LHC antennaméretének változtathatósága, amely a spektrális abszorpció változásában tükröződik, nagy hatással van a növények eloszlására, mivel rugalmasságot tesz lehetővé a PAR felhasználásának hatékonyságában és a PARdir által termelt erős hő elkerülését (pl. Murchie és Horton 1997). Így a napnak és az árnyéknak kitett levelek PARdir és PARdiff adaptáltnak tekinthetők.
A PARdir és a PARdiff közötti spektrális különbségek hatása elhanyagolható az egész levél abszorpciós tulajdonságaira. Kume (2017) kimutatta, hogy a szárazföldi növények ép leveleinek abszorpciós spektrumai szürke testként működnek. Az egész levél fotonelnyelését a fotoszintetikus pigmentek hatékonyan szabályozzák a pigmentsűrűség-eloszlás és a levél anatómiai struktúráinak kombinációján keresztül. Az abszorbensek spektrális jellemzői fontos tényezők a kloroplasztiszok energiaszabályozása és a kisebb léptékű energiafolyamatok szempontjából.