Professor Gabriela S. Schlau-Cohen (mitten) och doktoranderna Raymundo Moya (vänster) och Wei Jia Chen arbetade med kollaboratörer vid University of Verona, Italien, att utveckla en ny förståelse för de mekanismer genom vilka växter avvisar överskottsenergi som de absorberar från solljus så att det inte skadar nyckelproteiner. De insikter som erhållits kan en dag leda till kritiskt nödvändiga ökningar av skörden av biomassa och grödor. Kredit:Stuart Darsch
Växter är beroende av energin i solljus för att producera de näringsämnen de behöver. Men ibland absorberar de mer energi än de kan använda, och att överskott kan skada kritiska proteiner. För att skydda sig själva, de omvandlar överskottsenergin till värme och skickar tillbaka den ut. Under vissa förhållanden, de kan avvisa så mycket som 70 procent av all solenergi de absorberar.
"Om växter inte slösade bort så mycket av solens energi i onödan, de skulle kunna producera mer biomassa, " säger Gabriela S. Schlau-Cohen, Cabot karriärutveckling biträdande professor i kemi. Verkligen, forskare uppskattar att alger kan växa så mycket som 30 procent mer material för användning som biobränsle. Mer viktigt, världen skulle kunna öka skördarna – en förändring som behövs för att förhindra det betydande underskottet mellan jordbruksproduktion och efterfrågan på livsmedel som förväntas senast 2050.
Utmaningen har varit att ta reda på exakt hur fotoskyddssystemet i växter fungerar på molekylär nivå, under de första 250 pikosekunderna av fotosyntesprocessen. (En pikosekund är en biljondels sekund.)
"Om vi kunde förstå hur absorberad energi omvandlas till värme, vi kanske kan koppla om den processen för att optimera den totala produktionen av biomassa och grödor, " säger Schlau-Cohen. "Vi kunde styra den omkopplaren för att göra växter mindre tveksamma till att stänga av skyddet. De skulle fortfarande kunna skyddas till viss del, och även om några individer dog, det skulle bli en ökning av produktiviteten för den återstående befolkningen."
De första stegen i fotosyntesen
Kritiska för de första stegen i fotosyntesen är proteiner som kallas ljusskördande komplex, eller LHC. När solljus träffar ett löv, varje foton (ljuspartikel) levererar energi som exciterar en LHC. Den excitationen går från en LHC till en annan tills den når ett så kallat reaktionscentrum, där det driver kemiska reaktioner som delar vatten till syrgas, som släpps, och positivt laddade partiklar som kallas protoner, som finns kvar. Protonerna aktiverar produktionen av ett enzym som driver bildningen av energirika kolhydrater som behövs för att underblåsa växtens ämnesomsättning.
De vänstra och mellersta figurerna illustrerar fluorescensbeteende hos Vio-berikade och Zea-berikade LHCSR-proteiner. Dessa figurer visar sannolikhetsfördelningar av fluorescensintensitet och livslängd från experiment med hundratals individuella LHCSR-proteiner berikade med antingen Vio-karotenoider (vänster) eller Zea-karotenoider (mitten) . Den högra figuren illustrerar fluorescenssvar på pH-förändringar. Denna figur visar svaret av Vio-berikade proteiner när de utsätts för ett lägre pH än i den vänstra figuren, således en ökning i protonkoncentration som replikerar förhållanden i starkt solljus. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Men i starkt solljus, protoner kan bildas snabbare än enzymet kan använda dem, och de ackumulerande protonerna signalerar att överskottsenergi absorberas och kan skada kritiska komponenter i växtens molekylära maskineri. Så vissa växter har en speciell typ av LHC - kallad ljusskördande komplex stressrelaterad, eller LHCSR—vars uppgift är att ingripa. Om protonuppbyggnad indikerar att för mycket solljus skördas, LHCSR vänder omkopplaren, och en del av energin försvinner som värme.
Det är en mycket effektiv form av solskyddsmedel för växter - men LHCSR är ovilliga att stänga av den här släckningsinställningen. När solen skiner starkt, LHCSR har släckning påslagen. När ett förbipasserande moln eller flock fåglar blockerar solen, den kan stänga av den och suga upp allt tillgängligt solljus. Men istället, LHCSR låter den vara på – ifall solen plötsligt kommer tillbaka. Som ett resultat, växter avvisar mycket energi som de skulle kunna använda för att bygga mer växtmaterial.
En evolutionär framgång
Mycket forskning har fokuserat på släckningsmekanismen som reglerar energiflödet i ett löv för att förhindra skador. Optimerad av 3,5 miljarder år av evolution, dess kapacitet är imponerande. Först, den kan hantera mycket varierande energitillförsel. På en enda dag, solens intensitet kan öka och minska med en faktor 100 eller till och med 1, 000. Och den kan reagera på förändringar som sker långsamt över tiden – säg, vid soluppgången – och de som händer på bara några sekunder, till exempel, på grund av ett passerande moln.
Forskare är överens om att en nyckel till släckning är ett pigment i LHCSR - kallat en karotenoid - som kan ta två former:violaxanthin (Vio) och zeaxanthin (Zea). De har observerat att LHCSR-prover domineras av Vio-molekyler under svagt ljus och Zea-molekyler under starkt ljus. Omvandling från Vio till Zea skulle förändra olika elektroniska egenskaper hos karotenoiderna, vilket skulle kunna förklara aktiveringen av släckning. Dock, det händer inte tillräckligt snabbt för att svara på ett passerande moln. Den typen av snabb förändring kan vara ett direkt svar på ansamlingen av protoner, vilket orsakar en skillnad i pH från en region av LHCSR till en annan.
Att klargöra dessa fotoskyddsmekanismer experimentellt har visat sig svårt. Att undersöka beteendet hos prover som innehåller tusentals proteiner ger inte insikter i beteendet på molekylär nivå eftersom olika släckningsmekanismer inträffar samtidigt och på olika tidsskalor – och i vissa fall, så snabbt att de är svåra eller omöjliga att observera experimentellt.
Detta specialdesignade mikroskop kan detektera fluorescens från enstaka LHCSR-proteiner fästa på ett täckglas. Kredit:Stuart Darsch
Testa proteiners beteende ett i taget
Schlau-Cohen och hennes MIT kemikollegor, postdoc Toru Kondo och doktorand Wei Jia Chen, bestämde sig för att ta en ny takt. Med fokus på LHCSR som finns i grönalger och mossa, de undersökte vad som var annorlunda med hur stressrelaterade proteiner rika på Vio och de rika på Zea reagerar på ljus – och de gjorde det ett protein i taget.
Enligt Schlau-Cohen, deras tillvägagångssätt möjliggjordes av hennes samarbetspartner Roberto Bassi och hans kollegor Alberta Pinnola och Luca Dall'Osto vid universitetet i Verona, i Italien. I tidigare forskning, de hade kommit på hur de skulle rena de individuella proteinerna som är kända för att spela nyckelroller vid släckning. De kunde således tillhandahålla prover på individuella LHCSR, några berikade med Vio-karotenoider och några med Zea-karotenoider.
För att testa responsen på ljusexponering, Schlau-Cohens team använder en laser för att lysa pikosekunders ljuspulser på en enda LHCSR. Med hjälp av ett mycket känsligt mikroskop, de kan sedan detektera fluorescensen som emitteras som svar. Om LHCSR är i släckningsläge, det kommer att omvandla mycket av den inkommande energin till värme och driva ut den. Lite eller ingen energi kommer att finnas kvar för att återutsändas som fluorescens. Men om LHCSR är i släckningsläge, allt inkommande ljus kommer ut som fluorescens.
"Så vi mäter inte härdningen direkt, ", säger Schlau-Cohen. "Vi använder minskningar av fluorescens som en signatur för släckning. När fluorescensen sjunker, släckningen går upp."
Med den tekniken, MIT-forskarna undersökte de två föreslagna släckningsmekanismerna:omvandlingen av Vio till Zea och ett direkt svar på en hög protonkoncentration.
För att ta itu med den första mekanismen, de karakteriserade svaret från de Vio-rika och Zea-rika LHCSR:erna på det pulserade laserljuset med hjälp av två mätningar:intensiteten av fluorescensen (baserat på hur många fotoner de detekterar på en millisekund) och dess livslängd (baserat på ankomsttiden för de enskilda fotonerna).
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
