植物如何调整光合作用以适应光线的变化

发布时间：2024-05-08 16:14:36 栏目：生活

导读 光为植物提供产生生物质所需的能量。由杜塞尔多夫海因里希海涅大学 (HHU) 领导的来自卑尔根、波鸿、杜塞尔多夫、明斯特和波茨坦的研究小

光为植物提供产生生物质所需的能量。由杜塞尔多夫海因里希海涅大学 (HHU) 领导的来自卑尔根、波鸿、杜塞尔多夫、明斯特和波茨坦的研究小组正在研究植物如何使光合作用适应不断变化的光线。在科学杂志《自然通讯》中，他们描述了同步所涉及过程的关键分子机制。



光合作用是植物利用光、水和空气中的二氧化碳产生生物量的核心过程。详细了解这一过程可以对其进行修改并优化，例如提高粮食产量或抗压能力。

由 HHU 分子光合作用研究所 Ute Armbruster 教授博士领导的研究小组正在从多个角度研究这一过程。该小组与一个跨学科研究小组合作，在《自然通讯》最新发表的一篇文章中介绍了植物对不同光照条件的反应过程的发现。位于戈尔姆的马克斯·普朗克分子植物生理学研究所以及来自卑尔根(挪威)、波鸿、明斯特和波茨坦大学的研究小组参与了这项工作。

光合作用包括两个步骤或“模块”。首先，在所谓的光驱动反应中，光能被转化为植物可以以ATP和NADPH分子形式使用的化学能。然后利用这种能量通过“碳固定反应”将空气中的二氧化碳固定为生物质。

植物生活在经常快速变化的光照条件下。为了充分利用这种光，模块必须紧密同步。迄今为止，对这种同步的科学研究还很少。

如果太亮，植物无法转化全部光能;这是一种潜在有害的情况。为了确保过量的光能不会造成损害(过量的光能可能导致形成高活性氧)，植物会激活一种保护机制：所谓的能量依赖性猝灭(简称：“qE”)确保多余的能量以热量的形式排出。

从早期的研究中得知，qE 会被阴影中的“类囊体 K+ 交换反向转运蛋白 3”(KEA3) 更快地再次关闭。然而，这个过程总体上仍然很慢，当亮度降低时，可用的光能就会损失。

研究小组首次确定了两个光合作用模块通过 KEA3 同步其活动的分子机制。为了实现这一目标，研究人员使用了计算机模拟和各种实验方法，包括生物传感器。

首先，类囊体膜周围介质的 pH 值对光的变化有高度动态的反应。其次，KEA3 的结构和活性会根据 pH 值而变化。然而，只有当 KEA3 也结合 ATP 和 NADPH 时才会发生这种情况。在过量的光照下，这会导致 KEA3 失活，从而使 qE 变得活跃。突然转向遮荫后，KEA3 被激活，从而上调光驱动的光合作用反应。

Armbruster 教授：“通过我们的工作，我们现在第一次了解了光合作用的两个功能模块如何通过 KEA3 相互通信。了解这一点对于制定改善田间光合作用的策略非常重要，从而长期提高作物产量。”