Fotoinhibice - Photoinhibition

Nesmí být zaměňována s fotoiniciací .
Fotoinhibice systému Photosystem II (PSII) vede ke ztrátě aktivity přenosu elektronů PSII. PSII je průběžně opravován degradací a syntézou proteinu D1. Lincomycin lze použít k blokování syntézy proteinů

Fotoinhibice je světlo indukované snížení fotosyntetické kapacity rostliny , řasy nebo sinice . Photosystem II (PSII) je citlivější na světlo než ostatní fotosyntetické stroje a většina výzkumníků definuje termín jako poškození PSII způsobené světlem. V živých organismech jsou fotoinhibovaná centra PSII kontinuálně opravována degradací a syntézou proteinu D1 fotosyntetického reakčního centra PSII. Fotoinhibice se také používá v širším smyslu, jako dynamická fotoinhibice, k popisu všech reakcí, které snižují účinnost fotosyntézy, když jsou rostliny vystaveny světlu.

Dějiny

První měření fotoinhibice publikoval v roce 1956 Bessel Kok. Již v prvních studiích bylo zřejmé, že rostliny mají opravný mechanismus, který průběžně opravuje fotoinhibiční poškození. V roce 1966 Jones a Kok změřili akční spektrum fotoinhibice a zjistili, že ultrafialové světlo je vysoce fotoinhibiční. Bylo zjištěno, že část akčního spektra viditelného světla má vrchol v oblasti červeného světla, což naznačuje, že chlorofyly působí jako fotoreceptory fotoinhibice. V osmdesátých letech se fotoinhibice stala oblíbeným tématem výzkumu fotosyntézy a koncept škodlivé reakce, proti níž působil proces opravy, byl znovu vynalezen. Výzkum byl stimulován článkem Kyle, Ohad a Arntzen v roce 1984, který ukazuje, že fotoinhibice je doprovázena selektivní ztrátou proteinu 32 kDa, později identifikovaného jako protein D1 reakčního centra PSII. Fotosenzitivita PSII, z něhož byl komplex vyvíjející kyslík inaktivován chemickou úpravou, byla studována v 80. a na počátku 90. let minulého století. Článek Imre Vassa a jeho kolegů z roku 1992 popsal mechanismus fotoinhibice na akceptorové straně. Měření produkce singletového kyslíku fotoinhibovaným PSII poskytlo další důkaz pro mechanismus typu akceptorové. Koncept opravného cyklu, který nepřetržitě opravuje fotoinhibiční poškození, se vyvinul a byl přezkoumán Aro et al. v roce 1993. Od té doby bylo objeveno mnoho podrobností cyklu opravy, včetně zjištění, že proteáza FtsH hraje důležitou roli při degradaci proteinu D1. V roce 1996 článek od Tyystjärvi a Aro ukázal, že rychlostní konstanta fotoinhibice je přímo úměrná intenzitě světla, což je výsledek, který je proti dřívějšímu předpokladu, že fotoinhibice je způsobena frakcí světelné energie, která překračuje maximální schopnost fotosyntézy. Následující rok experimenty s fotoinhibicí laserových pulzů provedené skupinou Itzhaka Ohada vedly k názoru, že reakce rekombinace náboje mohou být škodlivé, protože mohou vést k produkci singletového kyslíku. Molekulární mechanismus (y) fotoinhibice jsou neustále diskutovány. Nejnovějším kandidátem je mechanismus manganu navržený v roce 2005 skupinou Esa Tyystjärvi. Podobný mechanismus navrhla skupina Norio Murata, také v roce 2005.

Co je inhibováno

Fotosystém sinic II, dimer, PDB 2AXT

Fotoinhibice se vyskytuje ve všech organismech schopných kyslíkové fotosyntézy, od cévnatých rostlin až po sinice . V rostlinách i sinicích způsobuje modré světlo fotoinhibici účinněji než jiné vlnové délky viditelného světla a všechny vlnové délky ultrafialového světla jsou účinnější než vlnové délky viditelného světla. Fotoinhibice je řada reakcí, které inhibují různé aktivity PSII, ale neexistuje shoda na tom, jaké jsou tyto kroky. Aktivita komplexu vyvíjejícího kyslík PSII se často zjistí, že je ztracena, než zbytek reakčního centra ztratí aktivitu. Inhibice PSII membrán za anaerobních podmínek však vede primárně k inhibici přenosu elektronů na akceptorové straně PSII. Ultrafialové světlo způsobuje inhibici komplexu vyvíjejícího kyslík, než dojde k inhibici zbytku PSII. Fotosystém I (PSI) je méně citlivý na světlo indukované poškození než PSII, ale byla pozorována pomalá inhibice tohoto fotosystému. Fotoinhibice PSI se vyskytuje v rostlinách citlivých na chlad a reakce závisí na toku elektronů z PSII do PSI.

Jak často dochází k poškození?

Fotosystém II je poškozen světlem bez ohledu na intenzitu světla. Kvantový výtěžek z poškozujícího reakce v typických listech vyšších rostlin vystavených na viditelné světlo, stejně jako v izolované thylakoidovými membránové preparáty, je v rozmezí od 10 -8 až 10 -7 a nezávislá na intenzitě světla. To znamená, že jeden komplex PSII je poškozen na každých 10 až 100 milionů zachycených fotonů . K fotoinhibici tedy dochází při všech intenzitách světla a rychlostní konstanta fotoinhibice je přímo úměrná intenzitě světla. Některá měření naznačují, že tlumené světlo způsobuje poškození efektivněji než silné světlo.

Molekulární mechanismus (y)

Mechanismus (y) fotoinhibice jsou předmětem diskuse, bylo navrženo několik mechanismů. Reaktivní druhy kyslíku , zejména singletový kyslík, mají roli v mechanismech akceptorové, singletové a slabého osvětlení. V mechanismu manganu a mechanismu na straně dárce nehrají reaktivní druhy kyslíku přímou roli. Fotoinhibovaný PSII produkuje singletový kyslík a reaktivní druhy kyslíku inhibují opravný cyklus PSII inhibicí syntézy proteinů v chloroplastu.

Inhibice fotoceptoru

Silné světlo způsobuje redukci plastochinonového poolu, což vede k protonaci a dvojité redukci (a dvojité protonaci) akceptoru elektronů Q A systému Photosystem II. Protonizované a dvakrát redukované formy Q A nefungují při transportu elektronů. Kromě toho se očekává, že reakce s rekombinací náboje v inhibovaném systému Photosystem II povedou ke stavu tripletu primárního dárce (P 680 ) pravděpodobněji než stejné reakce v aktivním PSII. Triplet P 680 může reagovat s kyslíkem za vzniku škodlivého singletového kyslíku.

Fotoinhibice na straně dárce

Pokud je komplex vyvíjející kyslík chemicky inaktivován, pak se zbývající aktivita přenosu elektronů PSII stává velmi citlivou na světlo. Bylo navrženo, že ani ve zdravém listu nefunguje komplex vyvíjející kyslík vždy ve všech centrech PSII a ta jsou náchylná k rychlé ireverzibilní fotoinhibici.

Mechanismus manganu

Foton absorbovaný manganovými ionty komplexu vyvíjejícího kyslík spustí inaktivaci komplexu vyvíjejícího kyslík. K další inhibici zbývajících reakcí transportu elektronů dochází jako v mechanismu na straně dárce. Mechanismus je podporován akčním spektrem fotoinhibice.

Singletové kyslíkové mechanismy

Inhibice PSII je způsobena singletovým kyslíkem produkovaným buď slabě spřaženými molekulami chlorofylu nebo cytochromy nebo centry železo-síra .

Mechanismus slabého osvětlení

Rekombinační reakce náboje PSII způsobují produkci tripletu P 680 a v důsledku toho singletového kyslíku. Rekombinace náboje je pravděpodobnější za slabého světla než za vyšších intenzit světla.

Kinetika a akční spektrum

Fotoinhibice se řídí jednoduchou kinetikou prvního řádu, měřeno z listu ošetřeného linkomycinem , buněk sinic nebo řas nebo izolovaných tylakoidních membrán, ve kterých souběžná oprava nenarušuje kinetiku. Data ze skupiny WS Chow naznačují, že v listech pepře ( Capsicum annuum ) je vzor prvního řádu nahrazen pseudo-rovnováhou, i když je opravná reakce zablokována. Odchylka byla vysvětlena za předpokladu, že fotoinhibovaná centra PSII chrání zbývající aktivní. Viditelné i ultrafialové světlo způsobuje fotoinhibici, přičemž ultrafialové vlnové délky jsou mnohem škodlivější. Někteří vědci považují fotoinhibici vyvolanou ultrafialovým a viditelným světlem za dvě různé reakce, zatímco jiní zdůrazňují podobnosti mezi inhibičními reakcemi vyskytujícími se v různých rozsazích vlnových délek.

Cyklus opravy PSII

K fotoinhibici dochází nepřetržitě, když jsou rostliny nebo sinice vystaveny světlu, a fotosyntetizující organismus proto musí poškození průběžně opravovat. Opravný cyklus PSII, ke kterému dochází v chloroplastech a sinicích, spočívá v degradaci a syntéze D1 proteinu reakčního centra PSII, po níž následuje aktivace reakčního centra. Vzhledem k rychlé opravě není většina reakčních center PSII fotoinhibována, i když je rostlina pěstována v silném světle. Environmentální stresy, například extrémní teploty, salinita a sucho, však omezují přísun oxidu uhličitého pro použití při fixaci uhlíku , což snižuje rychlost opravy PSII.

Ve studiích fotoinhibice je oprava často zastavena aplikací antibiotika (linkomycin nebo chloramfenikol ) na rostliny nebo sinice, které blokují syntézu bílkovin v chloroplastu . K syntéze bílkovin dochází pouze v neporušeném vzorku, takže lincomycin není potřeba, když se měří fotoinhibice z izolovaných membrán. Opravný cyklus PSII recirkuluje další podjednotky PSII (kromě proteinu D1) z inhibované jednotky do opravené.

Ochranné mechanismy

Xantofylového cyklus je důležité v ochraně rostlin před fotoinhibice

Rostliny mají mechanismy, které chrání před nepříznivými účinky silného světla. Nejstudovanějším biochemickým ochranným mechanismem je nefotochemické zhášení excitační energie. Fotoinhibice viditelného světla je o ~ 25% rychlejší u mutanta Arabidopsis thaliana postrádající nefotochemické zhášení než u divokého typu . Je také zřejmé, že otáčení nebo skládání listů, ke kterému dochází např. U druhů Oxalis v reakci na vystavení vysokému světlu, chrání před fotoinhibicí.

Protein PsBs

Protože v elektronovém transportním řetězci je omezený počet fotosystémů , organismy, které jsou fotosyntetické, musí za každou cenu najít způsob, jak bojovat proti přebytečnému světlu a předcházet fotooxidačnímu stresu a podobně fotoinhibici. Ve snaze zabránit poškození podjednotky D1 PSII a následné tvorbě ROS využívá rostlinná buňka pomocné proteiny k přenášení přebytečné excitační energie z přicházejícího slunečního světla; jmenovitě protein PsBs. Rostliny, které se vyznačují relativně nízkým luminálním pH, si vyvinuly rychlou reakci na přebytečnou energii, kterou vydávají, protože se snižuje teplo a poškození.

Studie Tibiletti et al. (2016) zjistili, že PsBs je hlavní protein zapojený do snímání změn pH, a proto se může rychle akumulovat za přítomnosti vysokého světla. To bylo určeno provedením testů SDS-PAGE a imunoblotů , přičemž byly lokalizovány samotné PsB v zelené řase, Chlamydomonas reinhardtii . Jejich data dospěla k závěru, že protein PsBs patří do vícegenové rodiny nazývané proteiny LhcSR, včetně proteinů, které katalyzují přeměnu violaxanthinu na zeaxanthin , jak již bylo zmíněno. PsBs se podílí na změně orientace fotosystémů v době vysokého světla, aby urychlil uspořádání místa zhášení v komplexu pro sběr světla.

Navíc studie provedené Glowackou a kol. (2018) ukazují, že vyšší koncentrace PsB přímo koreluje s inhibicí stomatální apertury . Dělá to však bez ovlivnění příjmu CO 2 a zvyšuje účinnost využití vody v zařízení. To bylo určeno kontrolou exprese PsB v Nicotinana tabacum zavedením řady genetických modifikací do rostliny za účelem testování hladin a aktivity PsB, včetně: transformace DNA a transkripce následované expresí proteinu. Výzkum ukazuje, že stomatální vodivost je silně závislá na přítomnosti proteinu PsBs. Když tedy byly PsB v rostlině nadměrně exprimovány, účinnost absorpce vody se výrazně zlepšila, což vedlo k novým metodám, které vedly k vyšším a produktivnějším výnosům plodin.

Tyto nedávné objevy spojují dva z největších mechanismů ve fytobiologii; to jsou vlivy, které mají světelné reakce na stomatální aperturu prostřednictvím Calvin Bensonova cyklu . Pro upřesnění, Calvin-Bensonův cyklus, vyskytující se ve stromatu chloroplastu, získává svůj CO 2 z atmosféry, která vstupuje po stomatálním otevření. Energie pohánějící Calvinův-Bensonův cyklus je produktem světelných reakcí. Vztah byl tedy objeven jako takový: když jsou PsB ztišeny, jak se očekávalo, zvyšuje se budicí tlak na PSII. To má za následek aktivaci redoxního stavu chinonu A a nedochází ke změně koncentrace oxidu uhličitého v intracelulárních vzdušných prostorech listu; v konečném důsledku zvýšení stomatální vodivosti . Platí také inverzní vztah: když jsou PsB nadměrně vyjádřeny, na PSII dochází ke snížení excitačního tlaku. Redoxní stav chinonu A tedy již není aktivní a opět nedochází ke změně koncentrace oxidu uhličitého v intracelulárních vzdušných prostorech listu. Všechny tyto faktory fungují tak, aby došlo k čistému snížení stomatální vodivosti.

Měření

Vliv osvětlení na poměru proměnné do maximální fluorescence (F V / F M ) z pozemkové břečťanu ( Glechoma hederacea ) listů. Hustota toku fotonů byla 1000 µmol m −2 s −1 , což odpovídá polovině plného slunečního světla. Fotoinhibice poškozuje PSII stejnou rychlostí, ať už je stonek listu ve vodě nebo linkomycinu, ale u vzorku „listový stonek ve vodě“ je oprava tak rychlá, že nedojde k žádnému čistému poklesu (F V /F M )

Fotoinhibici lze měřit z izolovaných tylakoidních membrán nebo jejich subfrakcí nebo z neporušených buněk sinic měřením rychlosti nasycení světla nasyceného kyslíku v přítomnosti umělého akceptoru elektronů ( byly použity chinony a dichlorfenol-indofenol ).

Stupeň fotoinhibice v neporušených listech lze měřit pomocí fluorimetru k měření poměru proměnné a maximální hodnoty fluorescence chlorofylu a (F V /F M ). Tento poměr může být použit jako zástupce fotoinhibice, protože více energie je emitováno jako fluorescence z chlorofylu a, když mnoho excitovaných elektronů z PSII není zachyceno akceptorem a rozpadá se zpět do základního stavu.

Při měření F V /F M musí být list před měřením inkubován ve tmě nejméně 10 minut, nejlépe déle, aby se ne fotochemické kalení uvolnilo.

Blikající světlo

Fotoinhibici lze také vyvolat krátkými záblesky světla buď pulzním laserem nebo xenonovou zábleskovou lampou . Při použití velmi krátkých záblesků závisí fotoinhibiční účinnost záblesků na časovém rozdílu mezi záblesky. Tato závislost byla interpretována tak, aby naznačovala, že záblesky způsobují fotoinhibici indukcí rekombinačních reakcí v PSII s následnou produkcí singletového kyslíku. Interpretace byla kritizována poznámkou, že fotoinhibiční účinnost xenonových záblesků závisí na energii záblesků, i když jsou použity tak silné záblesky, že by saturovaly tvorbu substrátu rekombinačních reakcí.

Dynamická fotoinhibice

Někteří vědci dávají přednost definici pojmu „fotoinhibice“ tak, aby obsahoval všechny reakce, které snižují kvantový výnos fotosyntézy, když je rostlina vystavena světlu. V tomto případě termín "dynamická fotoinhibice" zahrnuje jevy, které reverzibilně snižují fotosyntézu ve světle, a termín "fotodamage" nebo "nevratná fotoinhibice" pokrývá koncept fotoinhibice používaný jinými výzkumníky. Hlavním mechanismem dynamické fotoinhibice je nefotochemické zhášení excitační energie absorbované PSII. Dynamická fotoinhibice je aklimatizace na silné světlo spíše než poškození způsobené světlem, a proto „dynamická fotoinhibice“ může ve skutečnosti chránit rostlinu před „fotoinhibicí“.

Ekologie fotoinhibice

Fotoinhibice může způsobit bělení korálů .

Viz také

Reference

  • Tibiletti, T., Auroy, P., Peltier, G. a Caffarri, S. (2016). Protein Chlamydomonas reinhardtii PsbS je funkční a rychle a přechodně se hromadí za vysokého světla. Fyziologie rostlin, pp.pp. 00572.2016.
  • Głowacka, K., Kromdijk, J., Kucera, K., Xie, J., Cavanagh, A., Leonelli, L., Leakey, A., Ort, D., Niyogi, K. and Long, S. ( 2018). Nadměrná exprese podjednotky Photosystem II zvyšuje účinnost využití vody v polních plodinách. Nature Communications, 9 (1).

Další čtení

externí odkazy