非凡的机制植物用来保护自己免受阳光损伤

助理教授Gabriela Schlau-Cohen首次观察到植物用来保护自己免受阳光损坏的机制。

研究揭示了一种机制，植物可以用来消散多余的阳光作为热量。

对于植物来说，阳光可以是一把双刃剑。他们需要它来驱动光合作用，这一过程允许他们将太阳能作为糖分子存储太阳能，但太多的阳光可以脱水并损坏它们的叶子。

植物用来保护自己免受这种照相局部的主要策略是将额外的光散发为热量。然而，过去几十年来，在植物实际实现这方面有很多辩论。

“在光合作用期间，光收获复合物起两个看似矛盾的角色。他们吸收能量以驱动水分裂和光合作用，但同时，当能量过多时，他们必须能够摆脱它，“托马斯D。和弗吉尼亚州Gabriela Schlau-Cohen说。 Cabot Career开发助理在麻省理工学院的化学教授。

在一项新的研究中，Schlau-Cohen和麻省理工学院的同事，帕维亚大学和维罗纳大学一直观察，这是一个可能提出的可能机制，这是如何散发能量的可能机制。研究人员使用高度敏感的光谱学，以确定过量的能量从叶绿素转移到给予它们的绿色的颜料，含有类别的颜色，然后可以将能量释放为热量。

“这是第一次直接观察绿色植物的光收获络合物中叶绿素到类胡萝卜素能量转移的直接观察，”Schlau-Cohen说，这项研究的高级作者。“这是最简单的建议，但直到现在，没有人能够找到这种光物理途径。”

麻省理工学院毕业生闵捷子儿子是该研究的主要作者，今天出现了今天的沟通。其他作者是帕尔塔·戈登（Samuel Gordon '18），帕维亚大学的阿尔伯塔省Pinnola，在意大利，维罗纳大学的罗伯托巴塞西。

过量的能量

当阳光撞击植物时，称为光收获配合物的专用蛋白质以光子的形式吸收光能，借助叶绿素如叶绿素。这些光子驱动生产糖分子的生产，将能量存储在以后使用。

以前的研究表明，植物能够快速适应阳光强度的变化。在非常阳光明媚的条件下，它们只将阳光的大约30％转换成糖，而其余部分被释放为热量。如果允许这种过量的能量留在植物细胞中，它会产生称为自由基的有害分子，可损害蛋白质和其他重要的细胞分子。

“通过摆脱额外的能量，植物可以响应太阳能强度的快速变化，但是这是几十年来争论的光药途径是什么，”Schlau-Cohen说。

植物如何摆脱这些额外的光子的最简单假设是，一旦光收获络合物吸收它们，叶绿素将它们传递给叫做胡萝卜素的附近分子。包含番茄红素和β-胡萝卜素的类胡萝卜素非常擅长通过快速振动来摆脱过量的能量。它们也是自由基的熟练清除剂，有助于防止损伤细胞。

已经在与叶绿素相关的细菌蛋白质中观察到类似类型的能量转移，但直到现在，它尚未在植物中看到。为什么难以观察这种现象的一个原因是它发生在非常快速的时间尺度（飞秒或二十秒钟）上发生。另一个障碍是能量转移跨越广泛的能量水平。直到最近，用于观察该过程的现有方法只能测量可见光光谱的小条带。

2017年，Schlau-Cohen的实验室对飞秒光谱技术开发了一种修改，使他们能够看看更广泛的能量水平，跨越蓝光。这意味着它们可以监测叶绿素之间的能量转移，吸收红光，以及吸收蓝色和绿光的类胡萝卜素。

在这项研究中，研究人员使用该技术表明光子从激发状态下移动，这在光收获络合物中的多个叶绿素分子上铺展到复合物内的附近的类胡萝卜素分子。

“通过扩大光谱带宽，我们可以查看蓝色和红色范围之间的连接，允许我们映射能量水平的变化。Schlau-Cohen说，您可以看到从一个兴奋状态移动到另一个兴奋状态的能量。

一旦类胡萝卜素接受过量的能量，它们将其大部分释放为热量，防止对细胞的抗光引起的损伤。

提高作物产量

研究人员在两种不同的环境中进行了实验 - 其中蛋白质在洗涤剂溶液中的实验，以及它们嵌入一种称为纳米芯片的特殊类型的自组装膜中的一种。他们发现，纳米迪卡斯的能量转移发生得更迅速，这表明环境条件影响了能量耗散速率。

它仍然是一个谜，阳光过多地触发植物细胞内这种机制。Schlau-Cohen的实验室正在探索叶绿素膜内的叶绿素和类胡萝卜素是否在激活光保护系统中起作用。

Schlau-Cohen说，更好地了解植物的自然光保护系统可以帮助科学家培养改善作物产量的新方法。来自伊利诺伊大学研究人员的2016年纸张表明，通过过度减少涉及光保护的所有蛋白质，可以将作物产量提高15％至20％。该论文还建议生产可能进一步增加到大约30％的理论最大值。

“如果我们理解机制，而不是刚刚上调所有内容并获得15％到20％，我们可以真正优化系统，并达到30％的理论最多，”Schlau-Cohen说。

参考：“观察膜纳米膜膜纳米膜灭活综合体II的耗散叶绿素对类毒性能量转移”，南·索国，艾伯塔省Pinnola，Samuel C. Gordon，Roberto Bassi和Gabriela S. Schlau-Cohen，2012年3月10日，自然通信。 DOI：
10.1038 / S41467-020-15074-6

该研究由美国能源部资助。