Waarom werden Chls a en b geselecteerd in het aardse milieu?

Het absorptiespectrum van Chl a vertoonde een consistente tendens om PARdir te vermijden en het produceert consistent negatieve re en rp van PARglb, terwijl dat van Chl b de neiging heeft om PARdiff te absorberen, wat suggereert dat Chl a sterke, directe zonnestraling effectief kan vermijden en Chl b diffuse zonnestraling efficiënt kan gebruiken. Deze verschillen worden veroorzaakt door kleine verschuivingen in de positie en bandbreedte van absorptiepieken in het blauwe en rode gebied (Fig. 1a), waarbij de hoge absorptie-efficiëntie van Chl b voor PARglb in het terrestrische milieu verband houdt met het feit dat het een hogere Soret-absorptieband heeft dan Chl a en de langste Soret-golflengte onder de Chl-pigmenten (c. 452 nm in diethylether; Mimuro et al. 2011). Dergelijke functionele verschillen tussen de fotosynthetische pigmenten lijken nogal adaptief te zijn voor leven in het terrestrische stralingsmilieu en suggereren dat groene algenprogenitors werden geselecteerd uit de vele andere fotosynthetische organismen die in een aquatisch milieu leven met verschillende fotosynthetische pigmenten (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) suggereerden dat de eliminatie van Chl b uit PSI-kernantennes sterk heeft bijgedragen aan de evolutie van terrestrische groene planten. Om dit concept uit te breiden, analyseerden we de absorptiespectra van Chls c1 en d. Chl c1 is een veel voorkomende vorm van Chl c. Het is wijd verspreid onder de secundaire endosymbionten afkomstig van rode algen en is geschikt voor de lichtomstandigheden van hun mariene habitats (Garrido et al. 1995). Chl c fungeert samen met Chl a en carotenoïden als licht-oogstpigmenten. Chl a vertoont slechts een zwakke absorptie tussen 450 en 650 nm, terwijl Chl b of c binnen dit bereik een verhoogde absorptie vertonen, zowel aan de lange- als aan de korte-golflengteuiteinden (Kirk 2011). De re voor PARdir en PARdiff van Chl c1 waren vergelijkbaar met die van Chl b, maar de rp-waarden waren, vooral op de bewolkte dag, lager dan die van Chl b (Fig. 5g, h). De rp en re voor PARglb van Chl c1 lagen tussen die van Chl a en b (Fig. 7). De piekabsorptie van Chl c1 aan het lange-golflengte uiteinde is aanzienlijk kleiner dan die van Chl b (Fig. 1a); de absorptie van fotonen door Chl c1 in het lange-golflengte gebied wordt dus veel lager dan die door Chl b. Als gevolg hiervan overtreft Chl c1 Chl b niet als een licht-oogstend pigment in het aardse milieu, waar fotonen met een langere golflengte overvloedig aanwezig zijn.

Chl d wordt slechts in enkele cyanobacteriën in aquatische milieus gevonden (Kashiyama et al. 2008) en maakt deel uit van het lichtreactiecentrumcomplex in plaats van slechts als bijkomend pigment voor te komen (Mielke et al. 2011). Interessant is dat de rp en re waarden van Chl d consequent tussen die van Chls a en b lagen en relatief constant bleven ongeacht de PAR klasse (Figs. 5, 7). Het lijkt er dus op dat aquatische Chl d niet goed geschikt zou zijn voor de terrestrische, direct-diffuse stralingsomgeving, aangezien zijn absorptie-eigenschappen onbevredigend zouden zijn voor het vermijden of opvangen van zonnestraling.

Opgemerkt zij dat we in de huidige studie + 10 nm verschoven spectrale gegevens van Chls gebruikten om het eiwitrijke milieu weer te geven (Fig. 1a). Interessant is echter dat deze gecorrigeerde dataset een vergelijkbare maar vrij zwakke correlatie had met de spectrale zonnestraling in vergelijking met het vorige onderzoek (Kume et al. 2016).

Wat is het voordeel van de vorming van pigment-eiwitcomplexen?

Het spectrum van de invallende straling bepaalt de effectiviteit van de absorptiespectra van pigmenten, maar Chl-biosynthese en de regulering ervan in de embryofyten zijn afhankelijk van: plantensoort, ontwikkelingsstadium en omgevingsfactoren, zoals lichtomstandigheden, temperatuur en de samenstelling van de omgevingsatmosfeer. De vorming van chlorofyl kan dus op verschillende niveaus worden gereguleerd. Het is algemeen bekend dat de Chl a/b-verhouding toeneemt in onbeschaduwde omstandigheden (d.w.z. wanneer de blootstelling aan PARdir hoog is) en afneemt in beschaduwde omgevingen (d.w.z. wanneer het relatieve PARdiff hoog is). Dit verschijnsel doet zich voor op alle schaalgrootten, van de intra-chloroplast (Anderson et al. 1988) tot de bladeren (Terashima 1989) en de hele plant (Bordman 1977). Bovendien hebben Kume en Ino (1993) duidelijke seizoensgebonden veranderingen waargenomen in de Chl a/b-verhouding in de bladeren van altijdgroene, breedbladige struiken. Chl en carotenoïden in de thylakoïde membranen van planten vormen pigment-eiwit complexen. Chl b komt uitsluitend voor in LHC’s, die fungeren als perifere antennes (Kunugi et al. 2016). In groene planten wordt de antennegrootte van PSII bepaald door de hoeveelheid LHCII (Jansson 1994; Tanaka en Tanaka 2011) en niveaus van LHCII zijn sterk gecorreleerd met de accumulatie van Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), dat wordt gesynthetiseerd uit Chl a door chlorofylide a oxygenase (Tanaka en Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Wanneer planten groeien bij lage lichtintensiteit, wordt de synthese van Chl b versterkt en neemt de antennegrootte toe (Bailey et al. 2001). Aangezien LHCII het belangrijkste lichtoogstcomplex van planten is en het meest voorkomende membraaneiwit, kan het absorptiespectrum van de LHCII-trimeer het gemiddelde chloroplastabsorptiespectrum vertegenwoordigen (Kume 2017). Het absorptiespectrum van LHCII verschilt aanzienlijk van een enkel Chl-molecuul of de kernfotosystemen, met name wat betreft de secundaire absorptiepiek die optreedt bij 472 nm met een schouder bij 653 nm (Fig. 1b).

Het voorkomen van overtollige energie-absorptie in fotosystemen is een essentiële overlevingsstrategie in terrestrische omgevingen, waar de atmosferische CO2-concentratie te laag is om invallende zonnestraling veilig te benutten voor fotosynthese en de fotonfluxdichtheid met enkele ordes van grootte kan fluctueren (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) vonden dat de spectrale absorptie van Chl a sterk negatief gecorreleerd is met de spectrale bestralingssterkte van PARglb op het middaguur en Kunugi et al. (2016) toonden aan dat de uitsluiting van Chl b van de kernantennes cruciaal is voor het bevorderen van hoge lichtweerstand. In de huidige studie vonden we dat PSI en PSII kernen, die geen Chl b bevatten, sterk negatieve re en rp waarden vertoonden onder PARdir, en dat deze waarden de neiging hadden negatiever te zijn dan die voor Chl a. Echter, de toevoeging van LHCI, dat Chl b bevat, aan PSI om PSI-LHCI te vormen leidde tot een toename van re, terwijl de LHCII trimer, die de laagste a/b verhouding heeft, de hoogste re waarden vertoonde. Deze verschillen werden voornamelijk veroorzaakt door verschillen in absorptie in de buurt van de 470-nm golfband (Figs. 1b, 8). De toename van Chl b in LHC’s verhoogt de absorptie bij de hoge SIR-golfband eerder dan die bij de hoge SPFD-golfband.

Relaties tussen de spectrale absorptie van de drievoudige licht-oogst complex II (LHCII), fotosysteem I (PSI)-LHCI, en de PSI-kern en de spectrale bestralingssterkte van (a) directe fotosynthetisch actieve straling (PAR) van de zon en (b) diffuse PAR van de zon op het middaguur. De spectrale absorptie is uitgezet op de y-as en de spectrale bestralingssterkte op de x-as met intervallen van 3,35 nm in de bandbreedte 400-680 nm. Punten met opeenvolgende golflengten zijn verbonden met een lijn. De punten met de kortste (400 nm) en de langste (680 nm) golflengte zijn aangegeven met respectievelijk vierkantjes en kruisjes. De horizontale stippellijnen geven de extinctie van elk fotosysteem bij 570 nm aan en de verticale pijlen geven het verschil tussen deze lijnen aan, dat hoofdzakelijk wordt veroorzaakt door de hoeveelheid Chl b die elk fotosysteem of elke antenne bevat

De spectra van fotosystemen en LHC’s worden consequent aangepast om de hoge SPFD-golfband te vermijden (Fig. 8a). De spectra van fotosystemen en LHC’s zijn echter verschillend vanwege de verschillende Chl b-gehalten en hebben complementaire functionele relaties. Vergeleken met de kernen PSI en PSII vertoont LHCII een hogere extinctie aan het korte-golflengte-uiteinde en een relatief lagere extinctie aan het lange-golflengte-uiteinde (fig. 1b). De spectrale absorptiepiek in de hoge SIR-golfband (< 520 nm) is hoog en die in de hoge SPFD-golfband (> 670 nm) is laag. Hoewel de rp-waarden van LHCII dus slechts weinig verschillen van die van de kernen van PSI en PSII, neemt de totale spectrale absorptie toe met de combinatie van kernen en LHC’s.

De rp-waarden van alle pigment-eiwitcomplexen vertoonden een sterke negatieve correlatie, met uitzondering van {{PAR}}_{{{text{diff}}}}^{{P}}}}). Dit is het resultaat van absorptie door carotenoïden in de complexen. Van de carotenoïden bevindt β-caroteen zich vrijwel uitsluitend in de PSI- en PSII-kernen, en luteïne en andere carotenoïden bevinden zich in de LHC’s (Esteban et al. 2016). Deze carotenoïden absorberen hoge SIR-fotonen (400-520 nm) zonder verzwakking bij hoge SPFD-fotonen (550-700 nm), en verminderen de absorptie van hoge SIR-fotonen door Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) besprak eerder de filterende effecten van accessoire pigmenten en heeft de overtollige energie (Es) gedefinieerd als het deel van de energie dat mogelijk als warmte wordt uitgewisseld in de geabsorbeerde fotonenergie. De absorptiespectra van carotenoïden zijn vrij effectief voor het elimineren van fotonen die een hoge Es produceren. Aangezien carotenoïden zowel in lichtvangst als fotoprotectie functioneren, zijn verdere studies nodig om de functionele differentiatie van carotenoïden in pigment-eiwitcomplexen te begrijpen.

Notably, LHCII is de perifere antenne voor PSII en kan associëren met PSI afhankelijk van de lichtomstandigheden (e.g., Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). De LHCI complexen bemiddelen energetische interactie tussen “extra” LHCII en PSI kern in het intacte membraan (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Planten hebben een veel groter vermogen om de lichtenergie die door de LHCII-antenne wordt geabsorbeerd als warmte af te voeren. Dit zou de een van de belangrijkste redenen kunnen zijn om de kernantenne te beschermen tegen sterke zonnestraling.

Waarom absorberen planten minder groen licht?

Omdat de lichtgebruiksefficiëntie een belangrijke component is van de biomassaproductie, zijn er verschillende bladfotosynthesemodellen voorgesteld die het lichtabsorptieprofiel beschouwen op basis van het optimale gebruik van PAR-fotonen in de aardse omgeving. De meeste discussies hierover waren gericht op het efficiënte gebruik van invallende PAR-fotonen in de fotosynthese. De relaties tussen de spectrale kenmerken van de invallende straling van de zon en de energiebalans van chloroplasten en pigmentkenmerken, en de manieren waarop deze de bladfysiologische omstandigheden beïnvloeden, zijn echter ook van cruciaal belang (Kume 2017).

De golfband van het groene gebied van het spectrum (500-570 nm) is identiek aan die van sterke, gerichte zonne-instraling op de middag onder een heldere hemel (Figs. 3a, 4i). Kume et al. (2016) toonden aan dat de spectrale absorpties van fotosystemen PSI-LHCI en LHCII en intacte bladeren lineair afnemen met de toegenomen spectrale bestralingssterkte van PAR_{{dir}}}}^{E}}}}} op het middaguur in de golfband met hoge spectrale bestralingssterkte (450-650 nm). In de huidige studie vertoonden de PSI en PSII kernen, die geen Chl b bevatten, de laagste absorptie in de buurt van de 460-nm golflengteband (Figs. 1a, 8), wat contrasteert met mariene fotosynthetische organismen die aangepast zijn om de absorptie-efficiëntie in het 450-650 nm golflengtegebied te verhogen. Bijgevolg kunnen veranderingen in het licht-oogstsysteem in grote mate hebben bijgedragen tot de evolutie van aardse groene planten, die zijn afgestemd op het verminderen van overtollige energie-absorptie in plaats van op het efficiënt absorberen van PAR-fotonen. Zoals Ruban (2015) benadrukte, werd de fotosynthetische antenne in de loop van de evolutie een aantal keren “opnieuw uitgevonden” en stamt dus af van meerdere voorouders. Het fotochemische reactiecentrum en de kernantennes van aardse planten omvatten alleen Chl a, dat een lage absorptie van zonnestraling heeft, waarbij het perifere antennecomplex met Chl b en carotenoïden hieromheen is gerangschikt. De energietoestand van LHCII wordt nauwkeurig gereguleerd en uitgebalanceerd door verschillende fotochemische mechanismen (Galka et al. 2012; Ruban 2015), met als resultaat dat planten beschermd worden tegen hoge PAR en tegelijkertijd een hoge lichtabsorptie-efficiëntie bereiken.

Het is bekend dat licht de meest beperkende hulpbron is voor plantengroei en dat concurrentie tussen planten van invloed is op hun verschillende reacties op veranderingen in het milieu (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Het efficiënte gebruik van PAR onder bewolkte of beschaduwde omstandigheden kan dus belangrijk zijn. Op zonnige dagen draagt PARdir meer dan 80% bij aan de invallende globale PAR-energie (Fig. 4m), maar dit neemt af tot minder dan 50% op bewolkte dagen en bijna 0% op bewolkte ochtenden (Fig. 4n). PARdiff daarentegen blijft relatief stabiel wat de hoeveelheid invallende energie en λmax betreft. Deze spectrale verschillen tussen PARdir en PARdiff zorgen ervoor dat diffuse zonnestraling, die veel minder de neiging heeft om fotosynthetische verzadiging van het bladerdak te veroorzaken, doeltreffender door plantentoppen wordt gebruikt dan directe zonnestraling. Onze bevindingen suggereren dus dat het absorptiespectrum van LHCII een efficiënt gebruik van PARdiff en bewolkte-dagstraling mogelijk maakt, en dat diffuse en directe straling verschillende reacties oproepen in de fotosynthese van het bladerdak. De veranderlijkheid van de grootte van de LHC-antenne, die tot uiting komt in veranderingen in spectrale absorptie, heeft een groot effect op de verspreiding van planten, aangezien dit flexibiliteit mogelijk maakt in de efficiëntie van het PAR-gebruik en het vermijden van de sterke warmte die door PARdir wordt geproduceerd (bijv. Murchie en Horton 1997). Bladeren die worden blootgesteld aan zon en schaduw kunnen dus worden beschouwd als respectievelijk PARdir en PARdiff aangepast.

Notably, de effecten van spectrale verschillen tussen PARdir en PARdiff zijn verwaarloosbaar voor de absorptie-eigenschappen van het hele blad. Kume (2017) heeft aangetoond dat de absorptiespectra van de intacte bladeren van terrestrische planten functioneren als een grijs lichaam. De fotonabsorptie van het hele blad wordt efficiënt geregeld door fotosynthetische pigmenten door een combinatie van pigmentdichtheidsverdeling en bladanatomische structuren. De spectrale karakteristieken van de absorbers zijn belangrijke factoren voor de energieregulatie van chloroplasten en energieprocessen op kleinere schaal.