Rośliny i nadmiar światła

Zespół naukowców z UMCS pod kierunkiem prof. Wiesława Gruszeckiego (na fot.), laureata programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, odkrył mechanizmy molekularne leżące u podstaw procesów przystosowania fotosyntezy w roślinach do intensywności pochłanianego światła.

Badania przeprowadzone przez lubelskich naukowców oraz ich partnerów z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Federalnej w Lozannie wskazują na istnienie uniwersalnego mechanizmu molekularnego o charakterze regulacyjnym, dzięki któremu aparat fotosyntetyczny roślin w zależności od intensywności światła może się przełączać pomiędzy stanami sprzyjającymi efektywnemu pochłanianiu energii albo rozpraszaniu jej nadmiaru.

Fotosynteza jest praktycznie jedynym procesem, w którym energia światła jest zamieniana na formy bezpośrednio wykorzystywane do procesów życiowych. W roślinach procesy pierwotne fotosyntezy zachodzą w tzw. centrach reakcji. Energię słoneczną dostarczają do nich pochłaniające światło anteny fotosyntetyczne. Najbardziej znaną z nich jest kompleks barwnikowo-białkowy LHCII (Light Harvesting Complex II). Dzięki temu białku rośliny mogą efektywnie korzystać z energii słonecznej. Zdarza się jednak, że pochłaniana przez rośliny porcja energii przewyższa w danej chwili możliwości „operacyjne” aparatu fotosyntetycznego. W efekcie takiego przeciążenia tlen, który jest produktem fotosyntezy, z życiodajnej substancji może przerodzić się w najbardziej toksyczną i destrukcyjną cząsteczkę w świecie ożywionym. Zatem aparat fotosyntetyczny roślin musi nie tylko mieć zdolność do pochłaniania jak największej porcji energii słonecznej, ale również musi umieć rozproszyć jej nadmiar.

Zespół biofizyków z UMCS postanowił wyjaśnić, jak ta sama struktura – np. fotosyntetyczny kompleks antenowy LHCII – może uczestniczyć w dwóch przeciwstawnych procesach: pochłanianiu oraz rozpraszaniu energii. Badacze wykazali, że kontrolowane intensywnością światła procesy modyfikacji białka LHCII, m.in. jego częściowa fosforylacja (przyłączanie obdarzonej ujemnym ładunkiem elektrycznym grupy fosforanowej), wpływają istotnie na możliwości tworzenia struktur wyższych rzędów w środowisku błon lipidowych. Białka LHCII izolowane z liści szpinaku adaptowanych do ciemności w połączeniu z lipidami tworzą grany – struktury wielowarstwowe przypominające stosy, które w aparacie fotosyntetycznym roślin sprzyjają efektywnemu pochłanianiu energii świetlnej. Tworzenia takich struktur nie zaobserwowano w preparatach LHCII izolowanych z liści szpinaku poddanych silnemu oświetleniu. W tym przypadku białka posiadały bardzo silną tendencję do tworzenia struktur zasocjowanych w płaszczyźnie jednej warstwy lipidowo-białkowej. Lubelscy naukowcy wykazali, że struktury te posiadają zdolność bardzo wydajnego rozpraszania pochłanianej energii promieniowania świetlnego w postaci ciepła.

Wyniki badań zespołu prof. Gruszeckiego mogą umożliwić sterowanie fotosyntezą roślin w zależności od jakości i intensywności oświetlenia, a tym samym dać ludziom wpływ na zwiększenie plonów.