De ce au fost selectate Chlurile a și b în mediul terestru?

Spectrul de absorbție al Chl a a prezentat o tendință consistentă de a evita PARdir și produce re și rp negative consistente ale PARglb, în timp ce cel al Chl b a avut tendința de a absorbi PARdiff, sugerând că Chl a poate evita în mod eficient radiația solară puternică, directă, iar Chl b poate folosi în mod eficient radiația solară difuză. Aceste diferențe sunt cauzate de ușoare deplasări ale poziției și lățimii benzii vârfurilor de absorbție în regiunile albastră și roșie (Fig. 1a), eficiența ridicată de absorbție a Chl b pentru PARglb în mediul terestru fiind legată de faptul că acesta are o bandă de absorbție Soret mai mare decât Chl a și cea mai mare lungime de undă Soret dintre pigmenții Chl (c. 452 nm în eter dietilic; Mimuro et al. 2011). Astfel de diferențe funcționale între pigmenții fotosintetici par a fi destul de adaptative pentru viața în mediul de radiație terestră și sugerează că progenitorii algelor verzi au fost selectați din numeroasele alte organisme fotosintetice care trăiesc într-un mediu acvatic cu pigmenți fotosintetici diferiți (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) au sugerat că eliminarea Chl b din antenele de bază PSI a contribuit în mare măsură la evoluția plantelor verzi terestre. Pentru a extinde acest concept, am analizat spectrele de absorbție ale Chl c1 și d. Chl c1 este o formă comună de Chl c. Este larg răspândită printre endosimbionții secundari derivați din algele roșii și este potrivită pentru condițiile de lumină din habitatele lor marine (Garrido et al. 1995). Chl c funcționează împreună cu Chl a și carotenoidele ca pigmenți care captează lumina. Chl a prezintă doar o absorbție slabă între 450 și 650 nm, în timp ce Chl b sau c prezintă o absorbție crescută în acest interval, atât la capătul lungimii de undă lungi, cât și la cel scurt (Kirk 2011). Re pentru PARdir și PARdiff ale Chl c1 au fost similare cu cele ale Chl b, dar valorile sale rp, în special în ziua înnorată, au fost mai mici decât cele ale Chl b (Fig. 5g, h). Valorile rp și re pentru PARglb ale Chl c1 se situau între cele ale Chl a și b (Fig. 7). Absorbția maximă a Chl c1 la capătul lungimii de undă lungi este semnificativ mai mică decât cea a Chl b (Fig. 1a); astfel, absorbția fotonilor de către Chl c1 în regiunea lungimii de undă lungi devine mult mai mică decât cea a Chl b. Ca urmare, Chl c1 nu depășește Chl b ca pigment care recoltează lumina în mediul terestru, unde fotonii de lungime de undă mai mare sunt abundenți.

Chl d se găsește doar la câteva cianobacterii care locuiesc în medii acvatice (Kashiyama et al. 2008) și constituie o parte a complexului centrului de reacție la lumină, mai degrabă decât să apară doar ca un pigment accesoriu (Mielke et al. 2011). Este interesant faptul că valorile rp și re ale Chl d se situează în mod constant între cele ale Chl a și b și au rămas relativ constante indiferent de clasa PAR (Fig. 5, 7). Astfel, se pare că Chl d acvatic nu ar fi bine adaptat la mediul terestru, cu radiație directă-difuzivă, deoarece caracteristicile sale de absorbție ar fi nesatisfăcătoare pentru evitarea sau colectarea radiației solare.

Se remarcă faptul că am utilizat date spectrale decalate cu + 10 nm ale Chls în studiul actual pentru a reflecta mediul proteic (Fig. 1a). Cu toate acestea, este interesant faptul că acest set de date corectate a avut o corelație similară, dar destul de slabă, cu radiația solară spectrală în comparație cu cercetarea anterioară (Kume et al. 2016).

Care este avantajul formării de complexe pigment-proteină?

Spectrul radiației incidente determină eficacitatea spectrelor de absorbție ale pigmenților, dar biosinteza Chl și reglarea acesteia în embriofite depind de: specia de plante, stadiul de dezvoltare și factorii de mediu, cum ar fi condițiile de lumină, temperatura și compoziția atmosferei ambientale. Astfel, formarea clorofilei poate fi reglată la diferite niveluri. Este bine stabilit faptul că raportul Chl a/b crește în condiții neumbrite (adică atunci când expunerea la PARdir este ridicată) și scade în medii mai umbroase (adică atunci când PARdiff relativ este ridicat). Acest fenomen apare la toate mărimile de scară, de la intracloroplast (Anderson et al. 1988) până la frunze (Terashima 1989) și la întreaga plantă (Bordman 1977). Mai mult, Kume și Ino (1993) au observat modificări sezoniere clare ale raportului Chl a/b în frunzele unor arbuști veșnic verzi, cu frunze largi. Chl și carotenoidele din membranele tilacoide ale plantelor formează complexe pigment-proteină. Chl b apare exclusiv în LHC-uri, care funcționează ca antene periferice (Kunugi et al. 2016). La plantele verzi, dimensiunea antenei PSII este determinată de cantitatea de LHCII (Jansson 1994; Tanaka și Tanaka 2011), iar nivelurile de LHCII sunt strâns corelate cu acumularea de Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), care este sintetizată din Chl a de către clorofilid a oxigenază (Tanaka și Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). Atunci când plantele cresc în condiții de intensitate luminoasă scăzută, sinteza Chl b este îmbunătățită, iar dimensiunea antenei crește (Bailey et al. 2001). Deoarece LHCII este principalul complex de recoltare a luminii din plante și cea mai abundentă proteină de membrană, spectrul de absorbție al trimerului LHCII poate reprezenta spectrul mediu de absorbție al cloroplastului (Kume 2017). Spectrul de absorbție al LHCII este semnificativ diferit de cel al unei singure molecule Chl sau al fotosistemelor de bază, în special în ceea ce privește vârful de absorbție secundar care apare la 472 nm cu un umăr la 653 nm (Fig. 1b).

Prevenirea absorbției excesive de energie în fotosisteme este o strategie de supraviețuire esențială în mediile terestre, unde concentrația atmosferică de CO2 este prea scăzută pentru a utiliza în siguranță radiația solară incidentă pentru fotosinteză, iar densitatea fluxului de fotoni poate fluctua cu câteva ordine de mărime (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) au constatat că absorbția spectrală a Chl a este puternic corelată negativ cu iradierea spectrală a PARglb la amiază, iar Kunugi et al. (2016) au arătat că excluderea Chl b din antenele centrale este crucială pentru promovarea rezistenței la lumină puternică. În studiul de față, am constatat că nucleele PSI și PSII, care nu includ Chl b, au prezentat valori re și rp puternic negative sub PARdir, și că aceste valori au avut tendința de a fi mai negative decât cele pentru Chl a. Cu toate acestea, adăugarea de LHCI, care include Chl b, la PSI pentru a forma PSI-LHCI a dus la o creștere a re, în timp ce trimerul LHCII, care are cel mai mic raport a/b, a prezentat cele mai mari valori re. Aceste diferențe au fost cauzate în principal de diferențele de absorbție în vecinătatea benzii de undă de 470 nm (fig. 1b, 8). Creșterea cantității de Chl b în LHC-uri crește absorbția în banda de undă ridicată SIR mai degrabă decât cea în banda de undă ridicată SPFD.

Relații între absorbanța spectrală a trimerului complexului II de recoltare a luminii (LHCII), a fotosistemului I (PSI)-LHCI și a nucleului PSI și iradierea spectrală a (a) radiației solare directe fotosintetic active (PAR) și (b) radiației solare difuze PAR la amiază. Absorbția spectrală este reprezentată pe axa y, iar iradierea spectrală pe axa x, la intervale de 3,35 nm în lățimea de bandă 400-680 nm. Punctele cu lungimi de undă consecutive sunt conectate cu o linie. Punctele cu cele mai scurte (400 nm) și cele mai lungi (680 nm) lungimi de undă sunt indicate prin pătrate și, respectiv, cruci. Liniile orizontale punctate indică absorbanța fiecărui fotosistem la 570 nm, iar săgețile verticale indică diferența dintre acestea, care este cauzată în principal de cantitatea de Chl b conținută în fiecare fotosistem sau antenă

Spectrele fotosistemelor și ale LHC-urilor sunt ajustate în mod constant pentru a evita banda de undă ridicată a SPFD (Fig. 8a). Cu toate acestea, spectrele fotosistemelor și LHC-urilor sunt diferite din cauza conținutului diferit de Chl b și au relații funcționale complementare. În comparație cu nucleele PSI și PSII, LHCII prezintă o absorbție mai mare la capătul lungimii de undă scurte și o absorbție relativ mai mică la capătul lungimii de undă lungi (Fig. 1b). Absorbanța spectrală maximă în banda de undă SIR ridicată (< 520 nm) este ridicată, iar cea din banda de undă SPFD ridicată (> 670 nm) este scăzută. Prin urmare, deși valorile rp ale LHCII sunt doar puțin diferite de cele ale nucleelor PSI și PSII, absorbția spectrală totală crește odată cu combinarea nucleelor și a LHC-urilor.

Valorile rp ale tuturor complexelor pigment-proteină au prezentat o corelație negativă puternică, cu excepția \({\text{PAR}}_{{{\text{diff}}}}^{{\text{P}}}}). Acesta este rezultatul absorbției de către carotenoidele din complexe. Dintre carotenoizi, β-carotenul este aproape exclusiv localizat în nucleele PSI și PSII, iar luteina și alte carotenoide sunt localizate în LHC-uri (Esteban et al. 2016). Aceste carotenoide absorb fotonii cu SIR ridicat (400-520 nm) fără atenuare la fotonii cu SPFD ridicat (550-700 nm) și reduc absorbția fotonilor cu SIR ridicat de către Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) a discutat anterior efectele de filtrare ale pigmenților accesorii și a definit surplusul de energie (Es) ca fiind partea de energie potențial schimbată sub formă de căldură în energia fotonică absorbită. Spectrele de absorbție ale carotenoidelor sunt destul de eficiente pentru a elimina fotonii care produc Es mare. Deoarece carotenoizii funcționează atât în captarea luminii, cât și în fotoprotecție, sunt necesare studii suplimentare pentru a înțelege diferențierea funcțională a carotenoizilor în complexele pigment-proteină.

În mod special, LHCII este antena periferică pentru PSII și se poate asocia cu PSI în funcție de condițiile de lumină (de exemplu, Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Complexele LHCI mediază interacțiunea energetică dintre LHCII „suplimentar” și nucleul PSI în membrana intactă (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Plantele au o capacitate mult mai mare de a disipa energia luminoasă absorbită de antena LHCII sub formă de căldură. Acesta ar putea fi unul dintre principalele motive pentru a proteja antena nucleului de radiațiile solare puternice.

De ce absorb plantele mai puțină lumină verde?

Din moment ce eficiența utilizării luminii este o componentă importantă a producției de biomasă, au fost propuse mai multe modele de fotosinteză foliară care iau în considerare profilul de absorbție a luminii pe baza utilizării optime a fotonilor PAR în mediul terestru. Majoritatea discuțiilor în acest sens s-au axat pe utilizarea eficientă a fotonilor PAR incidente în fotosinteză. Cu toate acestea, relațiile dintre caracteristicile spectrale ale radiației solare incidente și echilibrul energetic al cloroplastelor și caracteristicile pigmenților, precum și modurile în care acestea afectează condițiile fiziologice ale frunzelor sunt, de asemenea, de o importanță crucială (Kume 2017).

Banda de undă a regiunii verzi a spectrului (500-570 nm) este identică cu cea a iradierii solare puternice și direcționale la amiază, sub un cer senin (Fig. 3a, 4i). Kume et al. (2016) au arătat că absorbanțele spectrale ale fotosistemelor PSI-LHCI și LHCII și ale frunzelor intacte scad liniar odată cu creșterea iradianței spectrale a \(PAR_{{{{{text{dir}}}}^{{{{text{E}}}) la amiază în banda de undă a iradianței spectrale ridicate (450-650 nm). În studiul de față, nucleele PSI și PSII, care nu conțin Chl b, au prezentat cea mai scăzută absorbție în apropierea benzii de undă de 460 nm (Fig. 1a, 8), ceea ce contrastează cu organismele fotosintetice marine care sunt adaptate pentru a spori eficiența absorbției în gama de lungimi de undă de 450-650 nm. În consecință, este posibil ca modificările sistemului de captare a luminii să fi contribuit în mare măsură la evoluția plantelor verzi terestre, care sunt adaptate pentru a reduce absorbția excesului de energie mai degrabă decât pentru a absorbi eficient fotonii PAR. După cum a subliniat Ruban (2015), antena fotosintetică a fost „reinventată” de mai multe ori în cursul evoluției și, prin urmare, provine de la mai mulți strămoși. Centrul de reacție fotochimică și antenele centrale ale plantelor terestre includ doar Chl a, care are o absorbție scăzută a radiației solare, în jurul acestuia fiind dispus complexul antenei periferice care conține Chl b și carotenoizi. Starea energetică a LHCII este reglată și echilibrată cu precizie prin diverse mecanisme fotochimice (Galka et al. 2012; Ruban 2015), ceea ce face ca plantele să fie protejate de PAR ridicat, obținând în același timp o eficiență ridicată de absorbție a luminii.

Este bine cunoscut faptul că lumina este cea mai limitativă resursă pentru creșterea plantelor și că concurența dintre plante afectează diversele răspunsuri ale acestora la schimbările de mediu (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Astfel, utilizarea eficientă a PAR în condiții de înnorat sau de umbră poate fi importantă. În zilele însorite, PARdir contribuie cu mai mult de 80 % la energia PAR globală incidentă (Fig. 4m), dar aceasta scade la mai puțin de 50 % în zilele înnorate și aproape 0 % în diminețile înnorate (Fig. 4n). În schimb, PARdiff rămâne relativ stabil în ceea ce privește cantitatea de energie incidentă și λmax. Aceste diferențe spectrale dintre PARdir și PARdiff asigură faptul că radiația solară difuză, care are o tendință mult mai mică de a provoca saturația fotosintetică a coronamentului, este utilizată mai eficient de coronamentul plantelor decât radiația solară directă. Astfel, constatările noastre sugerează că spectrul de absorbție al LHCII permite utilizarea eficientă a radiației PARdiff și a radiației din zilele cu nori și că radiația difuză și cea directă declanșează răspunsuri diferite în fotosinteza coronamentului. Modificabilitatea dimensiunii antenei LHC, care se reflectă în modificările absorbției spectrale, are un efect major asupra distribuției plantelor, deoarece permite flexibilitate în ceea ce privește eficiența utilizării PAR și evitarea căldurii puternice produse de PARdir (de exemplu, Murchie și Horton 1997). Astfel, frunzele care sunt expuse la soare și la umbră pot fi considerate ca fiind adaptate la PARdir și, respectiv, la PARdiff.

În mod special, efectele diferențelor spectrale dintre PARdir și PARdiff sunt neglijabile pentru proprietățile de absorbție ale frunzelor întregi. Kume (2017) a demonstrat că spectrele de absorbție ale frunzelor intacte ale plantelor terestre funcționează ca un corp gri. Absorbția fotonică a întregii frunze este reglată în mod eficient de pigmenții fotosintetici printr-o combinație între distribuția densității pigmenților și structurile anatomice ale frunzei. Caracteristicile spectrale ale absorbanților sunt factori importanți pentru reglarea energetică a cloroplastelor și a proceselor energetice la scară mai mică.

.