Por que foram selecionados Chls a e b no ambiente terrestre?

O espectro de absorção de Chl a exibiu uma tendência consistente para evitar PARdir e produz uma consistente re e rp negativa de PARdiff, enquanto o de Chl b tendeu a absorver PARdiff, sugerindo que Chl a pode efetivamente evitar radiação solar forte e direta e Chl b pode eficientemente usar radiação solar difusa. Estas diferenças são causadas por pequenas mudanças na posição e largura da banda de picos de absorção nas regiões azul e vermelha (Fig. 1a), com a alta eficiência de absorção de Chl b para PARglb no ambiente terrestre sendo relacionada com o facto de ter uma banda de absorção de Soret superior à de Chl a e o maior comprimento de onda de Soret entre os pigmentos Chl (c. 452 nm em éter dietílico; Mimuro et al. 2011). Tais diferenças funcionais entre os pigmentos fotossintéticos parecem ser bastante adaptáveis à vida no ambiente de radiação terrestre e sugerem que os progenitores de algas verdes foram selecionados entre muitos outros organismos fotossintéticos que vivem em um ambiente aquático com diferentes pigmentos fotossintéticos (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) sugeriram que a eliminação de Chl b das antenas do núcleo PSI contribuiu muito para a evolução das plantas verdes terrestres. Para ampliar este conceito, analisamos os espectros de absorção de Chls c1 e d. Chl c1 é uma forma comum de Chl c. Está amplamente distribuída entre os endossimbimbos secundários derivados de algas vermelhas e é adequada para as condições de luz de seus habitats marinhos (Garrido et al. 1995). O cl cl c funciona juntamente com o cl a e os carotenóides como pigmentos de colheita de luz. A cl a mostra apenas uma fraca absorvância entre 450 e 650 nm, enquanto que a cl b ou c mostra uma absorvância aumentada dentro desta faixa, tanto no comprimento de onda longo como no comprimento de onda curto (Kirk 2011). Os re para PARdir e PARdiff de Chl c1 foram semelhantes aos de Chl b, mas seus valores de rp, especialmente no dia nublado, foram inferiores aos de Chl b (Fig. 5g, h). O rp e o re para PARdiff de Cl c1 estavam situados entre os de Cl a e b (Fig. 7). A absorção do pico de Chl c1 na extremidade do comprimento de onda longo é significativamente menor que a de Chl b (Fig. 1a); assim, a absorção de fótons por Chl c1 na região do comprimento de onda longo torna-se muito menor que a de Chl b. Como resultado, Chl c1 não ultrapassa Chl b como um pigmento de colheita leve no ambiente terrestre, onde os fótons de comprimento de onda longo são abundantes.

Chl d é encontrado apenas em algumas cianobactérias que habitam ambientes aquáticos (Kashiyama et al. 2008) e constitui parte do complexo do centro de reação à luz em vez de ocorrer meramente como um pigmento acessório (Mielke et al. 2011). Curiosamente, os valores de rp e re de Cl d se situam consistentemente entre os de Chls a e b e permaneceram relativamente constantes independentemente da classe PAR (Figs. 5, 7). Assim, parece que o Chl d aquático não seria bem adaptado ao ambiente terrestre, de radiação direta difusa, pois suas características de absorção seriam insatisfatórias para evitar ou recolher a radiação solar.

No presente estudo, utilizamos + 10 nm de dados espectrais deslocados de Chls para refletir o ambiente proteico (Fig. 1a). Curiosamente, contudo, este conjunto de dados corrigido teve uma correlação semelhante, mas bastante fraca, com a radiação solar espectral em comparação com a pesquisa anterior (Kume et al. 2016).

Qual a vantagem de formar complexos pigmento-proteína?

O espectro de radiação incidente determina a eficácia dos espectros de absorção dos pigmentos, mas a biossíntese de Cl e sua regulação nos embriófitos depende de: espécie vegetal, estágio de desenvolvimento e fatores ambientais, tais como condições de luz, temperatura e composição da atmosfera ambiente. Assim, a formação de clorofila pode ser regulada em vários níveis. Está bem estabelecido que a relação Chl a/b aumenta em condições sem sombra (ou seja, quando a exposição a PARdir é elevada) e diminui em ambientes mais sombreados (ou seja, quando a PARdiff relativa é elevada). Este fenômeno ocorre em todas as magnitudes de escala, desde o intra-cloroplasto (Anderson et al. 1988) até as folhas (Terashima 1989) e a planta inteira (Bordman 1977). Além disso, Kume e Ino (1993) observaram claras mudanças sazonais na relação Chl a/b nas folhas de arbustos sempre-verdes, de folhas largas. Os silos e carotenóides das membranas tilacóides das plantas formam complexos pigmento-proteína. Chl b ocorre exclusivamente em LHCs, que funcionam como antenas periféricas (Kunugi et al. 2016). Em plantas verdes, o tamanho da antena de PSII é determinado pela quantidade de LHCII (Jansson 1994; Tanaka e Tanaka 2011) e os níveis de LHCII estão altamente correlacionados com o acúmulo de Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), que é sintetizado a partir de Chl a por clorofilida a oxigenase (Tanaka e Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Quando as plantas crescem sob baixas intensidades de luz, a síntese de Chl b é aumentada e o tamanho da antena aumenta (Bailey et al. 2001). Como o LHCII é o maior complexo de colheita de luz das plantas e a proteína da membrana mais abundante, o espectro de absorção do trimer de LHCII pode representar o espectro médio de absorção do cloroplasto (Kume 2017). O espectro de absorção do LHCII é significativamente diferente de uma única molécula de Chl ou dos fotossistemas do núcleo, particularmente em relação ao pico de absorção secundária que ocorre a 472 nm com um ombro a 653 nm (Fig. 1b).

Prevenir a absorção excessiva de energia nos fotossistemas é uma estratégia essencial de sobrevivência em ambientes terrestres, onde a concentração atmosférica de CO2 é muito baixa para utilizar com segurança a radiação solar incidente para fotossíntese e a densidade do fluxo de fótons pode flutuar em várias ordens de magnitude (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) descobriram que a absorção espectral de Chl a está fortemente correlacionada negativamente com a irradiação espectral de PARglb ao meio-dia e Kunugi et al. (2016) mostraram que a exclusão de Chl b das antenas do núcleo é crucial para promover alta resistência à luz. No presente estudo, descobrimos que os núcleos PSI e PSII, que não incluem Chl b, mostraram fortes valores re e rp negativos sob PARdir, e que estes valores tenderam a ser mais negativos que os de Chl a. Entretanto, a adição de LHCI, que inclui Chl b, ao PSI para formar PSI-LHCI levou a um aumento nos re, enquanto o trimer LHCII, que tem a menor relação a/b, mostrou os maiores valores de re. Estas diferenças foram causadas principalmente pelas diferenças de absorção nas proximidades da banda de onda de 470 nm (Figs. 1b, 8). O aumento de Chl b em LHC aumenta a absorvância na banda de onda SIR alta em vez de na banda de onda SPFD alta.

Relações entre a absorvância espectral do complexo LHCII (Light-Harvesting Complex II) trimer, o fotossistema I (PSI)-LHCI, e o núcleo PSI e a irradiação espectral de (a) radiação solar direta fotossinteticamente ativa (PAR) e (b) PAR solar difusa ao meio-dia. A absorção espectral é plotada no eixo y e a irradiância espectral no eixo x em intervalos de 3,35-nm na largura de banda de 400-680-nm. Pontos com comprimentos de onda consecutivos são conectados com uma linha. Os pontos com os comprimentos de onda mais curtos (400 nm) e mais longos (680 nm) são indicados por quadrados e cruzamentos, respectivamente. As linhas tracejadas horizontais indicam a absorção de cada fotossistema a 570 nm e as setas verticais indicam a diferença entre elas, que é causada principalmente pela quantidade de Chl b contida em cada fotossistema ou antena

Os espectros dos fotossistemas e LHCs são ajustados consistentemente para evitar a banda de onda elevada do SPFD (Fig. 8a). No entanto, os espectros dos fotossistemas e dos LHCs são diferentes devido aos diferentes conteúdos de Chl b e têm relações funcionais complementares. Em comparação com os núcleos PSI e PSII, o LHCII apresenta uma maior absorvância na extremidade do comprimento de onda curta e uma absorvância relativamente menor na extremidade do comprimento de onda longa (Fig. 1b). A absorvância espectral de pico na banda de onda SIR alta (< 520 nm) é alta e que na banda de onda SPFD alta (> 670 nm) é baixa. Portanto, embora os valores rp do LHCII sejam apenas ligeiramente diferentes dos dos núcleos PSI e PSII, a absorvância espectral total aumenta com a combinação de núcleos e LHCs.

Os valores rp de todos os complexos pigmento-proteína mostraram forte correlação negativa com exceção do \({\texto{PAR}}_{{\texto{diff}}}}^{\texto{P}}}. Este é o resultado da absorção pelos carotenóides nos complexos. Entre os carotenóides, β-caroteno está localizado quase exclusivamente nos núcleos PSI e PSII, e a luteína e outros carotenóides estão localizados nos LHCs (Esteban et al. 2016). Estes carotenóides absorvem fótons SIR altos (400-520 nm) sem atenuação em fótons SPFD altos (550-700 nm), e reduzem a absorção de fótons SIR altos por Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) discutiu previamente os efeitos de filtragem dos pigmentos acessórios e definiu a energia excedente (Es) como a parte da energia potencialmente trocada como calor na energia absorvida pelo fotão. Os espectros de absorção dos carotenóides são bastante eficazes para eliminar os fótons que produzem altos E. Como os carotenóides estão funcionando tanto na captura de luz quanto na fotoproteção, estudos adicionais são necessários para entender a diferenciação funcional dos carotenóides nos complexos pigmento-proteína.

Notavelmente, LHCII é a antena periférica para PSII e pode se associar com PSI dependendo das condições de luz (por exemplo, Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Os complexos LHCI mediam a interacção energética entre o LHCII “extra” e o núcleo PSI na membrana intacta (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). As plantas têm uma capacidade muito maior de dissipar a energia luminosa absorvida pela antena LHCII como calor. Esta poderia ser uma das principais razões para proteger a antena do núcleo da forte radiação solar.

Por que as plantas absorvem menos luz verde?

Por que a eficiência de uso da luz é um componente importante da produção de biomassa, vários modelos de fotossíntese foliar foram propostos que consideram o perfil de absorção de luz baseado no uso otimizado de fótons PAR no ambiente terrestre. A maioria das discussões em torno disso tem focado no uso eficiente dos fótons PAR incidentes na fotossíntese. Contudo, as relações entre as características espectrais da radiação solar incidente e o balanço energético dos cloroplastos e características pigmentares, e as formas como estas afectam as condições fisiológicas das folhas também são de crucial importância (Kume 2017).

A banda de onda da região verde do espectro (500-570 nm) é idêntica à da irradiação solar forte e direccional ao meio-dia sob um céu claro (Figs. 3a, 4i). Kume et al. (2016) mostraram que as absorvâncias espectrais dos sistemas fotográficos PSI-LHCI e LHCII e folhas intactas diminuem linearmente com o aumento da irradiância espectral de {{{{\i1}(PAR_{\i1}texto{\i}}}}^{\i}}) ao meio-dia na banda de onda de alta irradiância espectral (450-650 nm). No presente estudo, os núcleos PSI e PSII, que não contêm Chl b, mostraram a menor absorvância nas proximidades da banda de onda de 460 nm (Figs. 1a, 8), o que contrasta com os organismos fotossintéticos marinhos que são adaptados para aumentar a eficiência de absorção na faixa de comprimento de onda de 450-650 nm. Consequentemente, as mudanças no sistema de colheita de luz podem ter contribuído muito para a evolução das plantas verdes terrestres, que são aperfeiçoadas para reduzir o excesso de absorção de energia em vez de absorver os fotões PAR de forma eficiente. Como enfatizou Ruban (2015), a antena fotossintética foi “reinventada” várias vezes no curso da evolução e, portanto, provém de múltiplos antepassados. O centro de reação fotoquímica e as antenas centrais das plantas terrestres incluem apenas Chl a, que tem baixa absorção de radiação solar, com o complexo de antenas periféricas contendo Chl b e carotenóides sendo dispostos em torno deste. O estado energético do LHCII é precisamente regulado e balanceado por vários mecanismos fotoquímicos (Galka et al. 2012; Ruban 2015), resultando em plantas protegidas de altas PAR enquanto alcançam alta eficiência de absorção de luz.

É bem conhecido que a luz é o recurso mais limitador para o crescimento das plantas e que a competição entre plantas afeta suas várias respostas às mudanças ambientais (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Assim, o uso eficiente do PAR em condições nubladas ou sombreadas pode ser importante. Em dias ensolarados, o PARdir contribui em mais de 80% para a energia PAR global incidente (Fig. 4m), mas esta diminui para menos de 50% em dias nublados e quase 0% em manhãs nubladas (Fig. 4n). Em contraste, o PARdiff permanece relativamente estável em termos da quantidade de energia incidente e λmax. Estas diferenças espectrais entre PARdir e PARdiff asseguram que a radiação solar difusa, que tem muito menos tendência a causar saturação fotossintética da copa das árvores, é utilizada mais eficazmente pelas copas das plantas do que a radiação solar directa. Assim, nossas descobertas sugerem que o espectro de absorção do LHCII permite o uso eficiente do PARdiff e da radiação de dias nublados, e que a radiação difusa e direta desencadeia respostas diferentes na fotossíntese da copa das árvores. A mutabilidade do tamanho da antena LHC, que se reflete em mudanças na absorção espectral, tem um efeito importante na distribuição das plantas, pois permite flexibilidade na eficiência do uso de PAR e evita o forte calor produzido por PARdir (por exemplo, Murchie e Horton 1997). Assim, folhas que são expostas ao sol e sombra podem ser consideradas como PARdir e PARdiff adaptadas, respectivamente.

Notable, os efeitos das diferenças espectrais entre PARdir e PARdiff são insignificantes para as propriedades de absorção de folhas inteiras. Kume (2017) demonstrou que os espectros de absorção das folhas intactas das plantas terrestres funcionam como um corpo cinzento. A absorção de fótons de toda a folha é eficientemente regulada por pigmentos fotossintéticos através de uma combinação de distribuição de densidade de pigmentos e estruturas anatômicas da folha. As características espectrais dos absorvedores são fatores importantes para a regulação energética dos cloroplastos e processos energéticos de menor escala.