Kredit:Imperial College London
Forskare har studerat hur vissa bakterier utför fotosyntes med hjälp av lågenergiljus, som kan omvandlas till grödor för att öka produktionen.
Genom att studera hur två bakterier utför fotosyntesens svåra kemi, har ett team ledd av imperialistiska forskare upptäckt de avvägningar de gör när de använder ljus med lägre energi. Detta skulle kunna informera om växtgenteknik som syftar till att effektivisera produktionen av grödor och biomassa.
Växter, alger och cyanobakterier (blågröna alger) utför fotosyntes för att omvandla ljus och CO2 till sockerarter och syre. Ett enzym som kallas fotosystem II utför det första steget i denna process, och använder ljus för att extrahera elektroner från vatten och mata in dem i fotosyntesmaskineriet.
De flesta organismer utför fotosyntes med hjälp av synligt ljus, som de samlar in tack vare ett pigment som kallas klorofyll-a. Energin som finns i synligt ljus har länge ansetts vara den minsta energi som krävs för att utföra den hårda kemin att utvinna elektroner från vatten.
Det finns dock några cyanobakterier som utför fotosyntes med hjälp av lägre energi långt rött ljus istället för synligt ljus. Att ge växter och alger möjligheten att använda långt rött ljus skulle kunna göra produktionen av grödor och biomassa effektivare, eftersom långt rött ljus är mindre energikrävande och finns i riklig mängd.
Möjligheten att använda både synligt och långt rött ljus under olika förhållanden skulle också vara en önskvärd egenskap för växter och alger, men forskarna behövde förstå om det fanns några avvägningar eller kompromisser i system som kan göra detta.
Långröd fotosyntes
Teamet studerade cyanobakterier som utför fotosyntes med långt rött ljus istället för synligt ljus. Acaryochloris marina lever under en grön havsspruta, skuggad från synligt ljus men utsatt för stabilt långt rött ljus, som den samlar med hjälp av pigmentet klorofyll-d istället för klorofyll-a.
Andra nyligen upptäckta cyanobakterier kan göra fotosyntes med hjälp av klorofyll-a när synligt ljus finns och sedan byta till att använda pigmentet klorofyll-f, som också absorberar långt rött ljus, när det skuggas från synligt ljus.
År 2018 upptäckte forskare under ledning av ett team på Imperial att i en av dessa cyanobakterier, Chroococcidiopsis thermalis, kan fotosystem II göra den hårda kemin genom att enbart använda den lägre energin från långt rött ljus.
Nu, i en studie publicerad i eLife , har forskare under ledning av samma team vid Imperial visat att fotosystem II av cyanobakterier som använder pigmentet klorofyll-f är mindre effektivt för att samla och använda långt rött ljus än fotosystem II för de som använder klorofyll-d, men att det är mer skyddas från de skadliga biverkningarna av för mycket ljus.
Ledande forskare professor Bill Rutherford, från Institutionen för livsvetenskaper vid Imperial, sa:"Engineering av växter eller alger som kan använda långt röd fotosyntes kan hjälpa till att öka produktionen av mat och biomassa.
"Vår studie är ett viktigt första steg för att förstå avvägningarna mellan effektivitet och motståndskraft i system som kan använda långt rött ljus. Dessa insikter kan hjälpa forskare att avgöra vilka funktioner som skulle vara fördelaktiga och under vilka förhållanden."
Jämföra fotosyntes
Teamet fann att fotosystemet II i Acaryochloris marina, som lever under ständigt skuggiga förhållanden och alltid använder klorofyll-d, är effektivt för att samla in och använda långt rött ljus. Men när den utsätts för överflödigt ljus, blir den överväldigad och producerar skadliga reaktiva syrearter, som kan döda cellerna.
Fotosystemet II av Chroococcidiopsis thermalis, som använder klorofyll-f endast när synligt ljus är frånvarande eller knappt, är mindre effektivt än Acaryochloris marina när det gäller att samla och använda långt rött ljus. Men när det utsätts för överdrivet ljus överproducerar det inte skadliga reaktiva syrearter.
Klorofyll-f fotosystem II av Chroococcidiopsis thermalis representerar därför en annan avvägning jämfört med klorofyll-d fotosystem II i Acaryochloris marina:mindre effektiv långt röd fotosyntes men bättre stabilitet och motståndskraft mot skador under starka ljusförhållanden.
Dr Stefania Viola, postdoktor vid Institutionen för livsvetenskaper vid Imperial och första författare till studien, sa:"Vår forskning tyder på att de två typerna av långt röda fotosystem II betalar ett annat pris för att kunna arbeta med mindre energi , och att detta bör övervägas när man planerar att införa långt röd fotosyntes i växter eller alger.
"Nästa steg för oss är att förstå de molekylära och kemiska mekanismerna som är ansvariga för de funktionella skillnaderna mellan de två typerna av långt rött fotosystem II." + Utforska vidare
