Badanie wykazało regulację fotosyntezy w zmieniających się warunkach oświetleniowych

Rośliny są zwykle uprawiane w stałym oświetleniu do celów badawczych, które nie naśladują warunków zewnętrznych. Naukowcy z Instytutu Fizjologii Molekularnej Roślin im. Maxa Plancka w Poczdamie-Golm (Niemcy) oraz Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Stanowego Michigan (USA) wykazali znaczenie dwóch kluczowych białek dla dynamicznej kontroli fotosyntezy w serii eksperymentów ze zmianami . Warunki oświetleniowe symulujące naturalną interakcję światła i cienia. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie New Phytologist.

Rośliny przeprowadzają fotosyntezę, aby rosnąć. W tym procesie wykorzystują energię słoneczną, uwalniają tlen i wytwarzają węglowodany, które są podstawowym źródłem pożywienia dla wszystkich ludzi i prawie wszystkich zwierząt na Ziemi. W warunkach naturalnych dostępność światła może się szybko zmieniać w bardzo krótkim czasie. Jednym z głównych powodów są chmury, które zapewniają światło i cień, gdy przechodzą przed słońcem. Liście i gałązki roślin mogą również tymczasowo zapewniać cień, gdy są poruszane przez wiatr. Rośliny nie mogą przejść z cienia do słońca, gdy światło jest ograniczone, i odwrotnie, nie mogą uciec od słońca do cienia, gdy są wystawione na zbyt duże nasłonecznienie. Muszą reagować na zmieniające się warunki oświetleniowe w inny sposób. Podobnie jak w przypadku ludzi, zbyt duża ilość światła słonecznego jest szkodliwa dla roślin. W szczególności problematyczna jest szybka zmiana między słabym i intensywnym światłem. Podobnie jak siatkówka, rośliny wykorzystują cząsteczki w swoich liściach do wychwytywania cząstek światła. Gdy światło jest słabe, te pułapki świetlne są bardzo skuteczne w łapaniu jak największej ilości słabego światła. Jeśli warunki świetlne nagle się zmienią, do rośliny może dotrzeć zbyt dużo energii świetlnej. Energia ta może przeciążyć lub uszkodzić delikatny aparat fotosyntetyczny wewnątrz komórek roślinnych. W związku z tym rośliny muszą stale dostosowywać swoją aktywność fotosyntetyczną do warunków środowiskowych, aby z jednej strony uzyskać maksymalną produkcję światła, ale z drugiej strony uniknąć szkód spowodowanych zbyt dużą ilością światła.

Do tej pory rośliny uprawiano w szklarniach i laboratoriach prawie wyłącznie w stałych, jednolitych warunkach oświetleniowych. Dlatego nasze zrozumienie, jak działa adaptacja do zmieniających się warunków oświetleniowych, jest bardzo ograniczone. W najgorszym przypadku może to prowadzić do tego, że rośliny dobrze rosną w laboratoriach i szklarniach, ale nagle osiągają znacznie gorsze wyniki niż oczekiwano, gdy są uprawiane na polu. Regulacja fotosyntezy w zmieniających się warunkach świetlnych

Naukowcy Ute Armbruster z Instytutu Fizjologii Molekularnej Roślin im. Maxa Plancka w Poczdamie-Golm i David Kramer z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Stanowego Michigan (USA) zbadali Arabidopsis thaliana w ramach swoich badań. Rośliny hodowano w różnych warunkach, w tym w nieruchomym, zmiennym i naturalnym świetle. Badanie skupiło się na dwóch białkach transportujących jony, zwanych VCCN1 i KEA3, które odgrywają kluczową rolę w dynamicznym dostosowywaniu wydajności fotosyntezy. Z wcześniejszych badań wiadomo, że VCCN1 aktywuje ochronę przeciwsłoneczną, jeśli światło nagle stanie się zbyt mocne. Kiedy intensywność światła spada, drugie białko, KEA3, szybko rozkłada ten filtr przeciwsłoneczny, dzięki czemu roślina może ponownie zebrać więcej światła. Jednak białek VCCN1 i KEA3 nie badano w realistycznych warunkach oświetleniowych. Naukowcy zastosowali nowe, innowacyjne podejście do pomiaru fotosyntezy w połączeniu z ukierunkowanym wykorzystaniem nokautów genetycznych – roślin, których geny dla VCCN1 i KEA3 są wyłączone. Wykazali, że aktywność białek VCCN1 i KEA3 zależała od warunków świetlnych, w jakich powstały rośliny. Zgodnie z sugestiami szefowej Plant Growing Infrastructure Group, dr Karen Cole, naukowcy skupili się w analizie na dwóch czynnikach świetlnych związanych ze wzrostem i byli w stanie wykazać, że zarówno ilość światła, jaką otrzymuje roślina, jak i częstotliwość fluktuacji światła mają silny wpływ na funkcję transporterów jonów. Funkcja ochronna VCCN1 jest znacząca tylko w roślinach uprawianych wcześniej w słabym świetle. Z drugiej strony eliminujący ochronę KEA3 był aktywny nawet w okresach dużego nasłonecznienia, gdy rośliny rosły w warunkach dużego natężenia światła.

Ochrona przed słońcem zależy również od stopnia wahań światła, na jakie narażone są rośliny. Kiedy warunki świetlne zmieniają się dramatycznie, rośliny wytwarzają pomarańczowy barwnik zeaksantynę, która jest również zaangażowana w ochronę przed słońcem. Produkcja tego filtra przeciwsłonecznego jest hamowana przez KEA3 również w warunkach silnego oświetlenia. „Nasze badanie pokazuje, że nie powinniśmy patrzeć oddzielnie na wpływ światła wzrostu i szybkich reakcji na fluktuacje światła” – powiedziała główna autorka Thekla von Bismarck, dodając: „Integracja wielu skal czasowych i poziomów metabolicznych w coraz bardziej złożony sposób przedstawi główne wyzwanie w przyszłości dla badań nad uprawami. Zapewni to dostarcza kluczowych pomysłów na poprawę plonów na polu. „(Al-Ani)

(Ta historia nie została zredagowana przez personel Devdiscourse i została automatycznie wygenerowana z konsorcjalnego źródła.)