So wie intensives Sonnenlicht das menschliche Sehvermögen schädigen kann, kann übermäßige Lichteinwirkung wichtige Komponenten der Photosynthese schädigen. Eine aktuelle Studie zielt darauf ab, besser zu verstehen, wie Pflanzen ihre Photosynthesefunktion vor übermäßigem Licht schützen.
Die Photosynthese ist ein lebenswichtiger Prozess, der es Pflanzen ermöglicht, Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln. Er besteht aus zwei Phasen: den lichtabhängigen Reaktionen und dem Calvin-Zyklus. Bei lichtabhängigen Reaktionen wird Lichtenergie von Chlorophyll eingefangen und an die Proteinkomplexe Photosystem II und Photosystem I übertragen, die den Elektronentransport zur Produktion von ATP und NADPH auslösen. Diese Produkte werden dann im Calvin-Zyklus verwendet, um Kohlendioxid in Zucker umzuwandeln.
Überschüssiges Licht führt zu einer zu hohen Energieaufnahme, was zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies führt, die den Photosyntheseapparat, insbesondere das Photosystem II, schädigen können. Diese lichtbedingte Beeinträchtigung der Photosynthese wird als Photoinhibition.
Die Mechanismen, mit denen sich Pflanzen vor den schädlichen Auswirkungen von übermäßigem Licht schützen, heißen Lichtschutzfaktor abhängige Dissipation. Zu den Photoschutzmechanismen gehören unter anderem die Ableitung überschüssiger Energie in Form von Wärme, die Verhinderung der Bildung schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies und die Übertragung von Energie auf Chlorophyllmoleküle in anderen Photosystemkomplexen, um die Energieverteilung auszugleichen und Stress zu minimieren.
Lichtenergie, die von Chlorophyll absorbiert wird, kann eines von drei Schicksalen: Sie kann zur Photosynthese genutzt werden, als Wärme abgeführt oder wieder emittiert werden als Fluoreszenz. Diese drei Prozesse treten in Konkurrenz zueinander auf. Fluoreszenz ist relativ einfach zu messen, daher verwenden Forscher sie zur Quantifizierung der Photoinhibition. Im Allgemeinen nimmt unter starken Lichtbedingungen die photoprotektive und photoinhibitionsabhängige Energiedissipation zu, wodurch Photosynthese und Fluoreszenz abnehmen.
Trotz deutlicher Fortschritte in unserem Verständnis der Photoinhibition sind die genauen Mechanismen, wie starker Lichtstress dem Photosyntheseapparat Schaden zufügt, immer noch Gegenstand von Debatten.
Tim Nies, Doktorand an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, und seine Kollegen veröffentlichten kürzlich eine Studie über ihre Quantifizierung und Erklärung der Mechanismen der Photoinhibition. Sie erweiterten ein mathematisches Modell der Photosynthese und nutzten dann experimentelle Daten, um ihr Modell zu verbessern und die Schlüsselmechanismen der nicht-photochemischen Löschung zu bestimmen.
„Unser Modell liefert eine dynamische Beschreibung der photosynthetischen Elektronentransportkette, der nicht-photochemischen Löschung und der Photoinhibition, sodass wir kurz- und langfristige Veränderungen der von photosynthetischem Gewebe emittierten Fluoreszenz simulieren können. Mit diesem Modell haben wir einen Rahmen geschaffen, mit dem sich der Zusammenhang zwischen photoprotektiven Mechanismen und den durch starkes Licht verursachten Schäden untersuchen lässt, der noch lange nicht vollständig verstanden ist“, erklärte Nies.
Die Autoren sammelten experimentelle Daten zu Lichtschäden und Fluoreszenz, die sie dann zur Verfeinerung ihres Modells nutzten. Sie verwendeten vier Behandlungen, von denen erwartet wurde, dass sie unterschiedliche Grade von Lichtschutz und Lichtinhibition erzeugen: Wildtyp Arabidopsis Thaliana und npq1 Mutantenpflanzen wurden zur Kontrolle entweder mit Lincomycin oder Wasser behandelt. npq1 Mutantenpflanzen fehlt ein entscheidendes Enzym, das am Lichtschutz beteiligt ist, während Lincomycin die Proteinsynthese in Chloroplasten hemmt und so die Reparatur des Photosyntheseapparats aufgrund von Lichtschäden verhindert.
Bei übermäßiger Lichteinwirkung npq1 Mit Lincomycin behandelte Pflanzen reagierten am empfindlichsten auf Lichtstress, gefolgt von mit Lincomycin behandelten Wildtyppflanzen. npq1 Pflanzen, die mit Wasser behandelt wurden, und dann Wildtyppflanzen, die mit Wasser behandelt wurden. Diese Bandbreite an Reaktionen lieferte den Autoren einen umfangreichen Datensatz zur Verfeinerung ihres Modells.
Die Autoren begannen ihre computergestützte Analyse mit einfachen Annahmen für ihr Modell und fügten schrittweise auf der Grundlage früherer Untersuchungen Komplexität hinzu, bis das Modell genau mit den experimentellen Daten übereinstimmte. Dadurch konnten sie zwei Schlüsselmechanismen identifizieren, die bestimmen, wie sich Lichtschäden auf die Fluoreszenz auswirken.
Pflanzen können sich vor übermäßigem Licht schützen, indem sie die überschüssige Energie in Wärme umwandeln. Die Autoren simulierten zunächst die Wärmeableitungsfähigkeiten gesunder Photosystem-II-Komplexe und solcher mit photogeschädigten Komplexen als gleich. Frühere Untersuchungen deuten darauf hin, dass photogeschädigte und gesunde Komplexe des Photosystems II sich in ihrer Effizienz bei der Wärmeableitung unter starken Lichtbedingungen unterscheiden können. Durch die Einbeziehung dieses Faktors in ihr Modell konnten die Forscher die bei den experimentellen Behandlungen beobachteten Abweichungen genauer simulieren.
Chlorophyllmoleküle können Energie auf nahe gelegene Moleküle in anderen Photosystemkomplexen übertragen, um Lichtenergie zu gewinnen und sich vor Licht zu schützen. Die Forscher sind sich jedoch nicht einig, ob Energie von gesunden Photosystem-II-Komplexen auf beschädigte Photosystem-II-Komplexe übertragen werden kann. Die Autoren führten Simulationen durch, die den Energietransfer zwischen gesunden und beschädigten Photosystem-II-Komplexen entweder erlaubten oder einschränkten. Sie fanden heraus, dass die Möglichkeit des Modells, die Unterschiede zwischen dem Wildtyp und dem geschädigten Photosystem-II-Komplex zu reproduzieren, indem die Energieübertragung auf beschädigte Komplexe zugelassen wurde. npq1 Mutante. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass ein Energietransfer vom gesunden zum beschädigten Photosystem II stattfinden könnte.
Nies kommt zu dem Schluss: „Indem wir die Komplexität unseres Modells weiter erhöht haben, konnten wir Komponenten identifizieren, die für das Modell entscheidend sind. Diese Arbeit hilft zu klären, welche Prozesse zu den dynamischen Veränderungen der Photosynthese unter starkem Lichtstress beitragen, und lenkt die Aufmerksamkeit besonders auf die Notwendigkeit, diese in mathematische Modelle der Photosynthese einzubeziehen.“
DER ARTIKEL::
Tim Nies, Shizue Matsubara, Oliver Ebenhöh, Ein mathematisches Modell der Photoinhibition: Untersuchung der Auswirkungen von Löschungsprozessen, in silico Plants, Band 6, Ausgabe 1, 2024, diae001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae001
Der Code für diese Forschung ist frei verfügbar auf GitHub unter https://gitlab.com/qtb-hhu/models/2023-photoinhibition.
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