Fotosynthese, waardoor energie van de zon kan worden omgezet in levensondersteunende suikers, kan ook gevaarlijk zijn voor groene planten. Als ze te veel zonlicht absorberen, de extra energie vernietigt hun weefsel.

Om dit tegen te gaan, groene planten hebben een afweermechanisme ontwikkeld dat bekend staat als fotobescherming, waardoor ze de extra energie kunnen afvoeren. Onderzoekers van MIT en de Universiteit van Verona hebben nu ontdekt hoe het belangrijkste eiwit in dit proces mos en groene algen in staat stelt zichzelf te beschermen tegen te veel zon.

De onderzoekers ontdekten dat het eiwit, ingebed in de membranen in de chloroplast, kan schakelen tussen verschillende toestanden als reactie op veranderingen in zonlicht. Wanneer mos en groene algen meer zonlicht opnemen dan ze nodig hebben, dit eiwit geeft de energie af als warmte, voorkomen dat het zich ophoopt en de cellen beschadigt. Het eiwit kan binnen enkele seconden werken na een verandering in blootstelling aan de zon, zoals wanneer de zon van achter een wolk verschijnt.

"Deze fotoprotectieve mechanismen zijn voortgekomen uit het feit dat zonlicht niet constant is. Er zijn zonnige dagen, er zijn bewolkte dagen. Er kunnen korte wolken overtrekken, of de plant kan tijdelijk in de schaduw staan, " zegt Gabriela Schlau-Cohen, een MIT-assistent-professor scheikunde en de senior auteur van de studie.

Door meer te leren over hoe dit eiwit werkt, zouden wetenschappers het kunnen veranderen op een manier die meer fotosynthese zou bevorderen, het potentieel verhogen van de biomassaopbrengst van zowel gewassen als algen die worden gekweekt voor biobrandstoffen, zegt Schlau-Cohen.

MIT-postdoc Toru Kondo is de hoofdauteur van het artikel, die verschijnt in het nummer van 17 juli van Natuurchemie . Andere auteurs zijn MIT-afgestudeerde student Wei Jia Chen en onderzoekers van de Universiteit van Verona, Alberta Pinnola, Luca Dall'Osto, en Roberto Bassi.

Teveel van het goede

Tijdens fotosynthese, gespecialiseerde eiwitten die bekend staan ​​als light-harvesting-complexen, met behulp van pigmenten zoals chlorofyl, lichtenergie absorberen in de vorm van fotonen. Deze fotonen sturen een reeks reacties aan die suikermoleculen produceren, waardoor planten energie kunnen opslaan voor later gebruik.

De meeste planten absorberen veel meer zonlicht dan ze daadwerkelijk kunnen gebruiken. In zeer zonnige omstandigheden, ze zetten slechts ongeveer 30 procent van het beschikbare zonlicht om in suiker, terwijl de rest als warmte vrijkomt.

"Onder zonnige omstandigheden de planten hebben energie die te veel is voor de capaciteit van de rest van de moleculaire machinerie, "Schlau-Cohen zegt

Als deze energie in de plantencellen mag blijven, het creëert schadelijke moleculen die vrije radicalen worden genoemd en die eiwitten en andere belangrijke cellulaire moleculen kunnen beschadigen.

Enkele jaren geleden werd ontdekt dat een eiwit dat light-harvesting complex stress-related 1 (LHCSR1) wordt genoemd, de belangrijkste speler is op het gebied van fotoprotectie die optreedt over korte tijdschalen (seconden tot minuten) in groene algen en mos. Dit eiwit is ingebed in de membranen van de chloroplast en interageert met chlorofyl en carotenoïden, een ander type lichtabsorberend pigment. Echter, het mechanisme van hoe deze fotoprotectie werkt was niet bekend.

In dit onderzoek, Schlau-Cohen en haar collega's gebruikten een zeer gevoelige microscoop die afzonderlijke eiwitten kan analyseren om te bepalen hoe het LHCSR1-eiwit in mos reageert op verschillende lichtomstandigheden. Ze ontdekten dat het eiwit drie verschillende conformaties kan aannemen, die overeenkomen met verschillende functies.

Onder bewolkte of schaduwrijke omstandigheden, LHCSR1 absorbeert eenvoudig fotonen en geeft de energie door aan de rest van de fotosynthetische machinerie. Als de zon schijnt en de energie-inname stijgt, LHCSR1 schakelt binnen enkele seconden over naar een andere conformatie. Deze omschakeling wordt veroorzaakt door een daling van de pH, die optreedt wanneer te veel waterstofionen worden gegenereerd door watersplitsing tijdens fotosynthese.

Wanneer dit gebeurt, het eiwit wordt opgesloten in een stijve structuur waardoor het meer van de geabsorbeerde lichtenergie kan omzetten in warmte, via een mechanisme dat niet volledig bekend is.

Fotoprotectie kan ook geleidelijker worden ingeschakeld door een ander feedbackmechanisme waarbij pH betrokken is. Een verlaging van de pH activeert een enzym dat de moleculaire samenstelling verandert van een carotenoïde die interageert met LHCSR1. Dit leidt ertoe dat het eiwit zijn lichtbeschermende toestand begunstigt en stabiliseert.

"Beide toestanden worden gecontroleerd door een feedbacklus binnen het organisme. De pH is een korte tijdschaalreactie, en de moleculaire samenstelling is een reactie op een langere tijdschaal, ', zegt Schlau-Cohen.

Fotosynthese stimuleren

Groene planten hebben de neiging om zeer snel fotobescherming in te schakelen als reactie op de zon, en ze zijn traag om het uit te zetten, zegt Schlau-Cohen. Dat helpt planten om te overleven, maar het betekent dat ze niet zoveel biomassa produceren als ze zouden kunnen. Een studie die afgelopen november in Science werd gepubliceerd, toonde aan dat het versnellen van het vermogen van planten om fotobescherming uit te schakelen, de biomassaproductie onder natuurlijke veldomstandigheden met 15 procent zou kunnen verhogen.

De collega's van Schlau-Cohen aan de Universiteit van Verona maken nu gemuteerde versies van het LHCSR1-eiwit, die de onderzoekers van plan zijn te testen om te zien of ze het vermogen hebben om meer biomassa te produceren en toch enige bescherming tegen licht te bieden.

"Fotobescherming is van cruciaal belang voor fitness, dus als je de fotobescherming helemaal uitschakelt, groeien ze niet zo goed, "zegt Schlau-Cohen. "We kunnen kijken welke delen van dit proces verantwoordelijk zijn voor welke delen van de fotobeschermende lus, en dan kunnen we een beetje slimmer zijn over wat we te veel uitdrukken en wat we uitschakelen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.