Dlaczego Chl a i b zostały wyselekcjonowane w środowisku lądowym?

Widmo absorpcyjne Chl a wykazywało stałą tendencję do unikania PARdir i produkuje stałe ujemne re i rp PARglb, podczas gdy widmo Chl b miało tendencję do absorpcji PARdiff, sugerując, że Chl a może skutecznie unikać silnego, bezpośredniego promieniowania słonecznego, a Chl b może skutecznie wykorzystywać rozproszone promieniowanie słoneczne. Różnice te spowodowane są niewielkimi przesunięciami w położeniu i szerokości pasma pików absorpcji w rejonie niebieskim i czerwonym (Rys. 1a), przy czym wysoka wydajność absorpcji Chl b dla PARglb w środowisku lądowym związana jest z tym, że ma on wyższe pasmo absorpcji Soreta niż Chl a i najdłuższą długość fali Soreta wśród pigmentów Chl (ok. 452 nm w eterze dietylowym; Mimuro et al. 2011). Takie różnice funkcjonalne pomiędzy pigmentami fotosyntetycznymi wydają się być dość adaptacyjne dla życia w środowisku promieniowania lądowego i sugerują, że progenitory zielonych glonów zostały wyselekcjonowane spośród wielu innych organizmów fotosyntetycznych żyjących w środowisku wodnym z różnymi pigmentami fotosyntetycznymi (Björn i wsp. 2009; Kunugi i wsp. 2016).

Kunugi i wsp. (2016) zasugerowali, że eliminacja Chl b z anten rdzenia PSI przyczyniła się w dużym stopniu do ewolucji lądowych roślin zielonych. Aby rozszerzyć tę koncepcję, przeanalizowaliśmy widma absorpcyjne Chl c1 i d. Chl c1 jest powszechnie występującą formą Chl c. Jest szeroko rozpowszechniona wśród wtórnych endosymbiontów wywodzących się z czerwonych glonów i jest odpowiednia do warunków świetlnych panujących w ich morskich siedliskach (Garrido i wsp. 1995). Chl c funkcjonuje razem z Chl a i karotenoidami jako pigmenty zbierające światło. Chl a wykazuje jedynie słabą absorbancję pomiędzy 450 a 650 nm, podczas gdy Chl b lub c wykazują zwiększoną absorbancję w tym zakresie zarówno na końcach długo- jak i krótkofalowych (Kirk 2011). Wartości re dla PARdir i PARdiff dla Chl c1 były podobne jak dla Chl b, ale jego wartości rp, szczególnie w pochmurny dzień, były niższe niż dla Chl b (Rys. 5g, h). Wartości rp i re dla PARglb z Chl c1 leżały pomiędzy wartościami dla Chl a i b (Rys. 7). Szczyt absorbancji Chl c1 na końcu długiej fali jest znacznie mniejszy niż Chl b (Rys. 1a); tak więc absorpcja fotonów przez Chl c1 w obszarze długiej fali staje się znacznie mniejsza niż przez Chl b. W rezultacie Chl c1 nie przewyższa Chl b jako pigment zbierający światło w środowisku lądowym, gdzie fotony o dłuższej długości fali są obfite.

Chl d występuje tylko u kilku sinic zamieszkujących środowiska wodne (Kashiyama et al. 2008) i stanowi część kompleksu centrum reakcji świetlnej, a nie tylko występuje jako pigment pomocniczy (Mielke et al. 2011). Co ciekawe, wartości rp i re Chl d konsekwentnie plasowały się pomiędzy wartościami Chls a i b i pozostawały względnie stałe niezależnie od klasy PAR (Rys. 5, 7). Tak więc, wydaje się, że wodny Chl d nie byłby dobrze przystosowany do lądowego, bezpośrednio rozproszonego środowiska promieniowania, ponieważ jego charakterystyka absorpcji byłaby niezadowalająca dla unikania lub gromadzenia promieniowania słonecznego.

Zauważa się, że użyliśmy + 10 nm przesuniętych danych spektralnych Chls w obecnym badaniu, aby odzwierciedlić środowisko białkowe (Rys. 1a). Co ciekawe jednak, ten skorygowany zestaw danych miał podobną, ale raczej słabą korelację z widmowym promieniowaniem słonecznym w porównaniu z poprzednimi badaniami (Kume et al. 2016).

Jaka jest korzyść z tworzenia kompleksów pigmentowo-białkowych?

Widmo padającego promieniowania determinuje efektywność widm absorpcyjnych pigmentów, ale biosynteza Chl i jej regulacja u embriofitów zależy od: gatunku rośliny, stadium rozwojowego oraz czynników środowiskowych, takich jak warunki świetlne, temperatura, skład atmosfery otoczenia. Tak więc powstawanie chlorofilu może być regulowane na różnych poziomach. Wiadomo, że stosunek Chl a/b wzrasta w warunkach niezacienionych (tj. gdy ekspozycja na PARdir jest wysoka) i maleje w środowiskach bardziej zacienionych (tj. gdy względny PARdiff jest podwyższony). Zjawisko to występuje we wszystkich skalach, od wewnątrz-chloroplastu (Anderson et al. 1988) poprzez liście (Terashima 1989) do całej rośliny (Bordman 1977). Ponadto, Kume i Ino (1993) zaobserwowali wyraźne sezonowe zmiany w stosunku Chl a/b w liściach wiecznie zielonych krzewów liściastych. Chl a i karotenoidy w błonach tylakoidów roślinnych tworzą kompleksy pigmentowo-białkowe. Chl b występuje wyłącznie w LHCs, które pełnią funkcję anten peryferyjnych (Kunugi i wsp. 2016). U roślin zielonych rozmiar anteny PSII jest determinowany przez ilość LHCII (Jansson 1994; Tanaka i Tanaka 2011), a poziomy LHCII są silnie skorelowane z akumulacją Chl b (Bailey i wsp. 2001; Jia i wsp. 2016), który jest syntetyzowany z Chl a przez oksygenazę chlorofilidu a (Tanaka i Tanaka 2011; Yamasato i wsp. 2005). Gdy rośliny rosną w warunkach niskiej intensywności światła, synteza Chl b jest zwiększona, a rozmiar anteny wzrasta (Bailey i wsp. 2001). Ponieważ LHCII jest głównym kompleksem zbierającym światło u roślin i najobficiej występującym białkiem błonowym, widmo absorpcyjne trimeru LHCII może reprezentować średnie widmo absorpcyjne chloroplastu (Kume 2017). Widmo absorpcyjne LHCII znacząco różni się od pojedynczej cząsteczki Chl lub fotosystemów rdzeniowych, szczególnie w odniesieniu do wtórnego piku absorpcyjnego, który występuje przy 472 nm z ramieniem przy 653 nm (Rys. 1b).

Zapobieganie absorpcji nadmiaru energii w fotosystemach jest niezbędną strategią przetrwania w środowiskach lądowych, gdzie atmosferyczne stężenie CO2 jest zbyt niskie, aby bezpiecznie wykorzystać padające promieniowanie słoneczne do fotosyntezy, a gęstość strumienia fotonów może wahać się o kilka rzędów wielkości (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) stwierdzili, że absorbancja spektralna Chl a jest silnie ujemnie skorelowana z irradiancją spektralną PARglb w południe, a Kunugi et al. (2016) wykazali, że wykluczenie Chl b z anten rdzeniowych jest kluczowe dla promowania odporności na wysokie światło. W obecnym badaniu stwierdziliśmy, że rdzenie PSI i PSII, które nie zawierają Chl b, wykazywały silne ujemne wartości re i rp pod wpływem PARdir, a wartości te miały tendencję do bycia bardziej ujemnymi niż te dla Chl a. Jednakże dodanie LHCI, który zawiera Chl b, do PSI w celu utworzenia PSI-LHCI prowadziło do wzrostu re, podczas gdy trimer LHCII, który ma najniższy stosunek a/b, wykazywał najwyższe wartości re. Różnice te wynikały głównie z różnic w absorbancji w pobliżu pasma 470-nm (rys. 1b, 8). Wzrost Chl b w LHCs podnosi absorbancję w wysokim paśmie fal SIR, a nie w wysokim paśmie fal SPFD.

Zależności między absorbancją spektralną trimeru kompleksu zbierającego światło II (LHCII), fotosystemu I (PSI)-LHCI, i rdzenia PSI a irradiancją spektralną (a) bezpośredniego słonecznego promieniowania fotosyntetycznie czynnego (PAR) i (b) rozproszonego słonecznego PAR w południe. Absorbancja spektralna jest wykreślona na osi y, a irradiancja spektralna na osi x w odstępach 3.35-nm w paśmie 400-680-nm. Punkty o kolejnych długościach fali są połączone linią. Punkty o najkrótszej (400 nm) i najdłuższej (680 nm) długości fali zaznaczone są odpowiednio kwadratami i krzyżykami. Poziome przerywane linie wskazują absorbancję każdego fotosystemu przy 570 nm, a pionowe strzałki wskazują różnicę między nimi, która jest głównie spowodowana ilością Chl b zawartą w każdym fotosystemie lub antenie

Widma fotosystemów i LHC są konsekwentnie dopasowywane tak, aby uniknąć wysokiego pasma fal SPFD (Rys. 8a). Widma fotosystemów i LHC są jednak różne z powodu różnej zawartości Chl b i mają komplementarne relacje funkcjonalne. W porównaniu z rdzeniami PSI i PSII, LHCII wykazuje wyższą absorbancję na krótkim końcu długości fali i relatywnie niższą absorbancję na długim końcu długości fali (Rys. 1b). Szczytowa absorbancja spektralna w wysokim paśmie fal SIR (< 520 nm) jest wysoka, a w wysokim paśmie fal SPFD (> 670 nm) jest niska. Dlatego, chociaż wartości rp LHCII tylko nieznacznie różnią się od wartości rdzenia PSI i PSII, całkowita absorbancja spektralna wzrasta wraz z połączeniem rdzenia i LHC.

Wartości rp wszystkich kompleksów pigmentowo-białkowych wykazywały silną ujemną korelację z wyjątkiem \({text{PAR}}_{{diff}}}}^{{text{P}}}). Jest to wynikiem absorpcji przez karotenoidy w kompleksach. Wśród karotenoidów, β-karoten znajduje się prawie wyłącznie w rdzeniach PSI i PSII, a luteina i inne karotenoidy znajdują się w LHCs (Esteban et al. 2016). Karotenoidy te absorbują fotony o wysokim SIR (400-520 nm) bez tłumienia przy fotonach o wysokim SPFD (550-700 nm) i zmniejszają absorpcję fotonów o wysokim SIR przez Chls (Kume i wsp. 2016). Kume (2017) wcześniej omówił efekty filtrujące pigmentów akcesoryjnych i zdefiniował nadwyżkę energii (Es) jako część energii potencjalnie wymienianej jako ciepło w zaabsorbowanej energii fotonu. Widma absorpcyjne karotenoidów są dość skuteczne w eliminowaniu fotonów, które produkują wysokie Es. Ponieważ karotenoidy funkcjonują zarówno w wychwytywaniu światła, jak i fotoprotekcji, konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć funkcjonalne zróżnicowanie karotenoidów w kompleksach pigment-białko.

W szczególności, LHCII jest peryferyjną anteną dla PSII i może kojarzyć się z PSI w zależności od warunków świetlnych (np., Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Kompleksy LHCI pośredniczą w energetycznych interakcjach pomiędzy „dodatkowym” LHCII a rdzeniem PSI w nienaruszonej błonie (Benson i wsp. 2015; Grieco i wsp. 2015). Rośliny mają znacznie większą zdolność do rozpraszania energii świetlnej zaabsorbowanej przez antenę LHCII w postaci ciepła. Może to być jeden z głównych powodów ochrony anteny rdzeniowej przed silnym promieniowaniem słonecznym.

Dlaczego rośliny absorbują mniej światła zielonego?

Ponieważ efektywność wykorzystania światła jest ważnym składnikiem produkcji biomasy, zaproponowano kilka modeli fotosyntezy liści, które uwzględniają profil absorpcji światła oparty na optymalnym wykorzystaniu fotonów PAR w środowisku lądowym. Większość dyskusji na ten temat koncentrowała się na efektywnym wykorzystaniu fotonów PAR w fotosyntezie. Jednak kluczowe znaczenie mają również zależności pomiędzy charakterystyką spektralną padającego promieniowania słonecznego a bilansem energetycznym chloroplastów i charakterystyką pigmentów oraz sposoby, w jakie wpływają one na warunki fizjologiczne liści (Kume 2017).

Pasmo falowe zielonego regionu widma (500-570 nm) jest identyczne z pasmem silnego, kierunkowego napromieniowania słonecznego w południe pod czystym niebem (Rys. 3a, 4i). Kume et al. (2016) wykazali, że absorbancje spektralne fotosystemów PSI-LHCI i LHCII oraz nienaruszonych liści maleją liniowo wraz ze wzrostem natężenia widmowego irradiancji \(PAR_{{text{dir}}}}^{text{E}}}) w południe w paśmie fal o wysokiej irradiancji spektralnej (450-650 nm). W niniejszych badaniach rdzenie PSI i PSII, które nie zawierają Chl b, wykazywały najniższą absorbancję w pobliżu pasma fal 460 nm (Rys. 1a, 8), co kontrastuje z morskimi organizmami fotosyntetycznymi, które są przystosowane do zwiększania efektywności absorpcji w zakresie długości fal 450-650 nm. W związku z tym, zmiany w systemie pozyskiwania światła mogły w dużym stopniu przyczynić się do ewolucji lądowych roślin zielonych, które są precyzyjnie dostrojone raczej do ograniczania absorpcji nadmiaru energii niż do wydajnej absorpcji fotonów PAR. Jak podkreślił Ruban (2015), antena fotosyntetyczna była „wymyślana” wielokrotnie w toku ewolucji, a więc pochodzi od wielu przodków. Centrum reakcji fotochemicznej i anteny rdzeniowe roślin lądowych zawierają tylko Chl a, który ma niską absorpcyjność promieniowania słonecznego, a wokół niego ułożony jest kompleks anten peryferyjnych zawierający Chl b i karotenoidy. Stan energetyczny LHCII jest precyzyjnie regulowany i równoważony przez różne mechanizmy fotochemiczne (Galka et al. 2012; Ruban 2015), w wyniku czego rośliny są chronione przed wysokim PAR, osiągając jednocześnie wysoką efektywność absorpcji światła.

Wiadomo, że światło jest najbardziej ograniczającym zasobem dla wzrostu roślin, a konkurencja między roślinami wpływa na ich różnorodne odpowiedzi na zmiany środowiska (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Zatem efektywne wykorzystanie PAR w warunkach zachmurzenia lub zacienienia może być istotne. W słoneczne dni, PARdir wnosi ponad 80% do padającej globalnej energii PAR (Rys. 4m), ale zmniejsza się to do mniej niż 50% w pochmurne dni i prawie 0% w pochmurne poranki (Rys. 4n). Natomiast PARdiff pozostaje względnie stabilny pod względem ilości energii padającej i λmax. Te różnice spektralne pomiędzy PARdir i PARdiff zapewniają, że rozproszone promieniowanie słoneczne, które ma znacznie mniejszą tendencję do powodowania nasycenia fotosyntetycznego łanu, jest wykorzystywane przez łany roślin bardziej efektywnie niż bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Tak więc, nasze wyniki sugerują, że spektrum absorpcyjne LHCII umożliwia efektywne wykorzystanie PARdiff i promieniowania dnia pochmurnego, oraz że promieniowanie rozproszone i bezpośrednie wywołuje różne reakcje w fotosyntezie łanu. Zmienność rozmiaru anteny LHC, która znajduje odzwierciedlenie w zmianach absorpcji spektralnej, ma istotny wpływ na rozmieszczenie roślin, ponieważ umożliwia elastyczność w efektywności wykorzystania PAR i unikanie silnego ciepła wytwarzanego przez PARdir (np. Murchie i Horton 1997). Dlatego liście, które są wystawione na działanie słońca i cienia, mogą być uważane za przystosowane odpowiednio do PARdir i PARdiff.

W szczególności, efekty różnic spektralnych między PARdir i PARdiff są pomijalne dla właściwości absorpcyjnych całego liścia. Kume (2017) wykazał, że widma absorpcyjne nienaruszonych liści roślin lądowych funkcjonują jak ciało szare. Absorpcja fotonów w całym liściu jest efektywnie regulowana przez pigmenty fotosyntetyczne poprzez kombinację dystrybucji gęstości pigmentów i struktur anatomicznych liścia. Właściwości spektralne absorberów są ważnymi czynnikami dla regulacji energii chloroplastów i procesów energetycznych w mniejszej skali.