Varför valdes Chls a och b ut i den terrestra miljön?

Absorptionsspektrumet för Chl a uppvisade en konsekvent tendens att undvika PARdir och det ger konsekvent negativa re och rp av PARglb, medan det för Chl b tenderade att absorbera PARdiff, vilket tyder på att Chl a effektivt kan undvika stark, direkt solstrålning och att Chl b effektivt kan använda diffus solstrålning. Dessa skillnader orsakas av små förskjutningar i positionen och bandbredden för absorptionstopparna i de blå och röda regionerna (fig. 1a), där den höga absorptionseffektiviteten hos Chl b för PARglb i terrestrisk miljö hänger samman med att det har ett högre Soret-absorptionsband än Chl a och den längsta Soret-våglängden bland Chl-pigmenten (c. 452 nm i dietyleter; Mimuro et al. 2011). Sådana funktionella skillnader mellan de fotosyntetiska pigmenten verkar vara ganska adaptiva för livet i den terrestra strålningsmiljön och tyder på att grönalgernas stamfäder valdes ut från de många andra fotosyntetiska organismer som levde i en akvatisk miljö med olika fotosyntetiska pigment (Björn et al. 2009; Kunugi et al. 2016).

Kunugi et al. (2016) föreslog att elimineringen av Chl b från PSI-kärnantennerna bidrog i hög grad till evolutionen av de terrestra gröna växterna. För att utvidga detta koncept analyserade vi absorptionsspektren för Chls c1 och d. Chl c1 är en vanlig form av Chl c. Den är allmänt spridd bland de sekundära endosymbionter som härstammar från rödalger och är lämplig för ljusförhållandena i deras marina livsmiljöer (Garrido et al. 1995). Chl c fungerar tillsammans med Chl a och karotenoider som ljusinsamlingspigment. Chl a visar endast en svag absorbans mellan 450 och 650 nm, medan Chl b eller c visar en ökad absorbans inom detta område i både den långa och korta våglängdsändan (Kirk 2011). Re för PARdir och PARdiff för Chl c1 liknade dem för Chl b, men dess rp-värden, särskilt på den molniga dagen, var lägre än för Chl b (fig. 5g, h). Rp- och re-värdena för PARglb för Chl c1 låg mellan de för Chls a och b (fig. 7). Toppabsorptionen av Chl c1 i slutet av den långa våglängden är betydligt mindre än för Chl b (Fig. 1a); därmed blir absorptionen av fotoner av Chl c1 i den långa våglängdsregionen mycket lägre än för Chl b. Som ett resultat av detta överträffar Chl c1 inte Chl b som ett ljusskördarpigment i den terrestriska miljön, där fotoner med längre våglängder är rikligt förekommande.

Chl d finns endast i ett fåtal cyanobakterier som lever i akvatiska miljöer (Kashiyama et al. 2008) och utgör en del av ljusreaktionscentrumkomplexet snarare än att bara förekomma som ett tillbehörspigment (Mielke et al. 2011). Intressant nog låg rp- och re-värdena för Chl d konsekvent mellan värdena för Chls a och b och förblev relativt konstanta oavsett PAR-klass (fig. 5, 7). Det verkar alltså som om akvatiskt Chl d inte skulle vara väl lämpat för den terrestriska, direkt-diffusa strålningsmiljön, eftersom dess absorptionsegenskaper skulle vara otillfredsställande för att undvika eller samla solstrålning.

Det bör noteras att vi använde + 10 nm förskjutna spektrala data för Chls i den aktuella studien för att återspegla den proteinhaltiga miljön (Fig. 1a). Intressant nog hade dock detta korrigerade dataset en liknande men ganska svag korrelation med den spektrala solstrålningen i jämförelse med tidigare forskning (Kume et al. 2016).

Vad är fördelen med att bilda pigment-protein-komplex?

Spektrumet av infallande strålning bestämmer effektiviteten av pigmentens absorptionsspektrum, men Chl-biosyntesen och dess reglering i embryofyter beror på: växtart, utvecklingsstadium och miljöfaktorer, såsom ljusförhållanden, temperatur och sammansättningen av den omgivande atmosfären. Klorofyllbildningen kan således regleras på olika nivåer. Det är väl etablerat att Chl a/b-förhållandet ökar i oskuggade förhållanden (dvs. när exponeringen för PARdir är hög) och minskar i skuggigare miljöer (dvs. när den relativa PARdiff är förhöjd). Detta fenomen förekommer i alla storleksordningar av skala, från intrakloroplast (Anderson et al. 1988) till bladen (Terashima 1989) och hela växten (Bordman 1977). Dessutom observerade Kume och Ino (1993) tydliga säsongsförändringar i Chl a/b-förhållandet i bladen på vintergröna, bredbladiga buskar. Chls och karotenoider i växternas thylakoidmembran bildar pigmentproteinkomplex. Chl b förekommer uteslutande i LHC, som fungerar som perifera antenner (Kunugi et al. 2016). I gröna växter bestäms PSII:s antennstorlek av mängden LHCII (Jansson 1994; Tanaka och Tanaka 2011) och nivåerna av LHCII är starkt korrelerade med ackumuleringen av Chl b (Bailey et al. 2001; Jia et al. 2016), som syntetiseras från Chl a med hjälp av klorofyllid a-oxygenas (Tanaka och Tanaka 2011; Yamasato et al. 2005). När växter växer under låg ljusintensitet ökar syntesen av Chl b och antennstorleken ökar (Bailey et al. 2001). Eftersom LHCII är det viktigaste ljusskördarkomplexet i växter och det vanligaste membranproteinet kan absorptionsspektrumet för LHCII-trimern representera det genomsnittliga absorptionsspektrumet för kloroplaster (Kume 2017). LHCII:s absorptionsspektrum skiljer sig avsevärt från en enskild Chl-molekyl eller kärnfotosystemen, särskilt med avseende på den sekundära absorptionstoppen som uppträder vid 472 nm med en axel vid 653 nm (Fig. 1b).

Förhindra överskottsenergiabsorption i fotosystemen är en väsentlig överlevnadsstrategi i terrestra miljöer, där den atmosfäriska CO2-koncentrationen är för låg för att den infallande solstrålningen ska kunna utnyttjas på ett säkert sätt för fotosyntesen, och där fotonflödestätheten kan fluktuera med flera storleksordningar (Kume 2017; Ruban 2015). Kume et al. (2016) fann att den spektrala absorbansen av Chl a är starkt negativt korrelerad med den spektrala irradiansen av PARglb vid middagstid och Kunugi et al. (2016) visade att uteslutningen av Chl b från kärnantennerna är avgörande för att främja motståndskraft mot starkt ljus. I den här studien fann vi att PSI- och PSII-kärnorna, som inte innehåller Chl b, uppvisade starkt negativa re- och rp-värden under PARdir, och att dessa värden tenderade att vara mer negativa än de för Chl a. Tillägget av LHCI, som innehåller Chl b, till PSI för att bilda PSI-LHCI ledde dock till en ökning av re, medan LHCII-trimern, som har det lägsta a/b-förhållandet, visade de högsta re-värdena. Dessa skillnader berodde främst på skillnader i absorbans i närheten av 470 nm-vågbandet (fig. 1b, 8). Ökningen av Chl b i LHCs höjer absorbansen vid det höga SIR-vågbandet snarare än den vid det höga SPFD-vågbandet.

Samband mellan den spektrala absorbansen hos trimern av ljusskördarkomplex II (LHCII), fotosystem I (PSI)-LHCI och PSI-kärnan och den spektrala bestrålningen av a) direkt fotosyntetiskt aktiv strålning från solen (PAR) och b) diffus PAR från solen vid lunchtid. Den spektrala absorbansen är plottad på y-axeln och den spektrala irradiansen på x-axeln med 3,35-nm-intervaller i bandbredden 400-680-nm. Punkter med på varandra följande våglängder är förbundna med en linje. Punkterna med de kortaste (400 nm) och längsta (680 nm) våglängderna anges med fyrkanter respektive kryss. De horisontella streckade linjerna anger varje fotosystems absorbans vid 570 nm och de vertikala pilarna anger skillnaden mellan dessa, vilket huvudsakligen orsakas av mängden Chl b som finns i varje fotosystem eller antenn

Fotosystemens och LHC:s spektrum justeras konsekvent för att undvika det höga SPFD-vågbandet (fig. 8a). Spektren hos fotosystemen och LHC:erna skiljer sig dock åt på grund av olika halter av Chl b och har kompletterande funktionella förhållanden. Jämfört med PSI- och PSII-kärnorna uppvisar LHCII en högre absorbans i den korta våglängdsändan och en relativt lägre absorbans i den långa våglängdsändan (fig. 1b). Den högsta spektrala absorbansen i det höga SIR-vågbandet (< 520 nm) är hög och den i det höga SPFD-vågbandet (> 670 nm) är låg. Även om rp-värdena för LHCII endast skiljer sig lite från de för PSI- och PSII-kärnorna, ökar därför den totala spektrala absorbansen med kombinationen av kärnor och LHC.

Rp-värdena för alla pigment-proteinkomplex uppvisade en stark negativ korrelation med undantag för \({\text{PAR}}_{{{\text{diff}}}}^{{\text{P}}}}\)\). Detta är resultatet av absorptionen av karotenoider i komplexen. Bland karotenoiderna finns β-karoten nästan uteslutande i PSI- och PSII-kärnorna, och lutein och andra karotenoider finns i LHC (Esteban et al. 2016). Dessa karotenoider absorberar fotoner med hög SIR-strålning (400-520 nm) utan dämpning i fotoner med hög SPFD-strålning (550-700 nm) och minskar absorptionen av fotoner med hög SIR-strålning av Chls (Kume et al. 2016). Kume (2017) har tidigare diskuterat filtreringseffekterna av tillbehörspigment och har definierat överskottsenergi (Es) som den del av energin som potentiellt utbyts som värme i den absorberade fotonenergin. Karotenoidernas absorptionsspektra är ganska effektiva för att eliminera fotoner som ger hög Es. Eftersom karotenoider fungerar både i ljusinfångning och fotoskydd krävs ytterligare studier för att förstå den funktionella differentieringen av karotenoider i pigment-proteinkomplex.

Notativt är LHCII den perifera antennen för PSII och kan associera med PSI beroende på ljusförhållanden (t.ex. Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). LHCI-komplexen förmedlar energisk interaktion mellan ”extra” LHCII och PSI-kärnan i det intakta membranet (Benson et al. 2015; Grieco et al. 2015). Växter har en mycket större förmåga att sprida den ljusenergi som absorberas av LHCII-antennen som värme. Detta kan vara en av de viktigaste orsakerna till att skydda kärnantennen från stark solstrålning.

Varför absorberar växter mindre grönt ljus?

Med tanke på att ljusanvändningseffektiviteten är en viktig komponent i biomassaproduktionen har flera bladfotosyntesmodeller föreslagits som tar hänsyn till ljusabsorptionsprofilen baserad på den optimala användningen av PAR-fotonerna i den terrestriska miljön. De flesta diskussioner kring detta har fokuserat på effektiv användning av infallande PAR-fotoner i fotosyntesen. Relationerna mellan de spektrala egenskaperna hos den infallande strålningen från solen och energibalansen hos kloroplasterna och pigmentegenskaperna, och hur dessa påverkar bladens fysiologiska förhållanden, är dock också av avgörande betydelse (Kume 2017).

Vågbandet i den gröna delen av spektrumet (500-570 nm) är identiskt med det som gäller för stark, riktad solinstrålning vid middagstid under en klar himmel (fig. 3a, 4i). Kume et al. (2016) visade att de spektrala absorbanserna hos fotosystemen PSI-LHCI och LHCII och intakta blad minskar linjärt med ökad spektral irradians av \(PAR_{{{\{\text{dir}}}}^{{{\text{E}}}}\) vid middagstid i vågbandet med hög spektral irradians (450-650 nm). I den aktuella studien uppvisade PSI- och PSII-kärnorna, som inte innehåller Chl b, den lägsta absorbansen i närheten av våglängdsbandet 460 nm (fig. 1a, 8), vilket står i kontrast till marina fotosyntetiska organismer som är anpassade för att öka absorptionseffektiviteten i våglängdsområdet 450-650 nm. Följaktligen kan förändringar i ljusinsamlingssystemet ha bidragit starkt till utvecklingen av gröna växter på jorden, som är finjusterade för att minska överskottsenergiabsorptionen snarare än för att absorbera PAR-fotoner effektivt. Som Ruban (2015) betonade har den fotosyntetiska antennen ”uppfunnits på nytt” ett antal gånger under evolutionens gång och härstammar därför från flera förfäder. Det fotokemiska reaktionscentret och kärnantennen hos landväxter innehåller endast Chl a, som har låg absorptionsförmåga för solstrålning, och det perifera antennkomplexet som innehåller Chl b och karotenoider är arrangerat runt detta. LHCII:s energitillstånd regleras exakt och balanseras av olika fotokemiska mekanismer (Galka et al. 2012; Ruban 2015), vilket resulterar i att växterna skyddas från hög PAR samtidigt som de uppnår en hög ljusabsorptionseffektivitet.

Det är välkänt att ljus är den mest begränsande resursen för växters tillväxt och att konkurrensen mellan växter påverkar deras olika reaktioner på miljöförändringar (Anten 2005; Givnish 1988; van Loon et al. 2014). Därför kan en effektiv användning av PAR under molniga eller skuggiga förhållanden vara viktig. Under soliga dagar bidrar PARdir med mer än 80 % av den infallande globala PAR-energin (fig. 4m), men detta minskar till mindre än 50 % under molniga dagar och nästan 0 % under molniga morgnar (fig. 4n). Däremot förblir PARdiff relativt stabil när det gäller mängden infallande energi och λmax. Dessa spektrala skillnader mellan PARdir och PARdiff säkerställer att diffus solstrålning, som har mycket mindre tendens att orsaka fotosyntesmättnad i trädkronorna, används effektivare av växtkronorna än direkt solstrålning. Våra resultat tyder alltså på att LHCII:s absorptionsspektrum möjliggör en effektiv användning av PARdiff och strålning från molniga dagar, och att diffus och direkt strålning utlöser olika reaktioner i krontakets fotosyntes. Förändringen av LHC-antennens storlek, som återspeglas i förändringar i den spektrala absorptionen, har en stor effekt på växternas fördelning eftersom den möjliggör flexibilitet i PAR-användningseffektiviteten och undvikande av den starka värme som produceras av PARdir (t.ex. Murchie och Horton 1997). Således kan blad som utsätts för sol och skugga betraktas som PARdir- respektive PARdiff-anpassade.

Noterbart är att effekterna av spektrala skillnader mellan PARdir och PARdiff är försumbara för absorptionsegenskaperna hos hela blad. Kume (2017) har visat att absorptionsspektren hos intakta blad av landväxter fungerar som en grå kropp. Fotonabsorptionen av hela bladet regleras effektivt av fotosyntetiska pigment genom en kombination av pigmenttäthetsfördelningen och bladets anatomiska strukturer. Absorbenternas spektrala egenskaper är viktiga faktorer för energiregleringen av kloroplaster och energiprocesser i mindre skala.