DeepTech深科技 - 光照也会损害植物?晴朗天气30%光能就够了

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光照也会损害植物?晴朗天气30%光能就够了 - 后花园网文 - 科技新闻

  众说周知,光合作用的价值不仅仅体现在将光能转化成化学能,而且也是维持植物生存的重要手段。然而,殊不知凡事都是物极必反,如果植物收到过度的光照,多余的能量将有可能严重损坏植物组织。

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  因此,为了抵御过度光照,植物会生成一种叫做光保护作用的防御机制来消散多余的光能。近日,麻省理工学院(MIT)和意大利维罗纳大学(University of Verona)的研究人员们发现了这项机制中的特定蛋白是如何进行保护工作的,并已将成果发布在《自然-化学》(Nature Chemistry)期刊上。

  他们发现,嵌在叶绿体薄膜中的一种特殊的蛋白质可以根据光照的变化改变自己的状态。当藻类植物接收到过度的光照时,它会将多余的光能以热量的形式消散,防止过高的能量造成细胞损坏。这种蛋白可以在光照变化的数秒之内(如太阳从云层后出现)作出反应。

  “这种光照保护机制是由于自然界中阳光光照不均匀造成的。自然界中天气有时是晴天,有时会是阴天;有时天气会阴晴交替,如云彩会暂时遮住太阳,或者植物会暂时被其他阴影遮挡,”来自麻省理工学院化学系的助理教授,同时也是这项研究的主要负责人Gabriela Schlau-Cohen这样表示。

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  图丨麻省理工学院化学系的助理教授Gabriela Schlau-Cohen

  她说,对这种蛋白进行更深入的研究是十分有益的,它将有助于科学家实现对植物光合作用功能的调节。这样一来,我们就有可能增加农作物和藻类植物的生物量产量,从而获得更多的生物燃料。

  光照太多也会物极必反

  当植物进行光合作用时,一种叫做捕光复合物的蛋白质在如叶绿素的色素的帮助下吸收光子来捕捉光能。这些光子驱动一系列的反应来生产糖分分子,使植物可以储存能量。

  大部分植物会吸收比它们本身需要多得多的光照。在晴朗的条件下,仅有30%的光能被转化成了糖分,剩下的能量被以热量的形式释放了出去。

  Schlau-Cohen 表示,“在阳光充足的条件下,植物中有许多机体根本用不到的过剩能量。”如果这些能量继续留在植物体内,会生成一种叫做自由基的有害分子,破坏植物中的蛋白质和其他细胞中的分子。

  几年前的一项研究发现,藻类植物中一种叫做 LHCSR1 的蛋白质可以开启短时间的光保护作用(数秒到数分钟)。这种蛋白质镶嵌在叶绿体的薄膜上,并与叶绿素和类胡萝卜素(另一种吸收光照的色素)互相作用。然而,这种光保护作用机制的工作原理到目前为止还没有被彻底地研究清楚。

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  图丨藻类植物中的 LHCSR1 蛋白质

  在这项研究中,Schlau-Cohen 和她的同事使用了可以分析单个蛋白质的精密显微镜来确定藻类植物中的 LHCSR1 蛋白质是如何对不同光照条件作出反应的。他们发现这种蛋白质可以形成 3 种不同的形态以对应 3 种不同的功能。

  在光线较暗的条件下,LHCSR1 蛋白吸收光子并将光子传递到光合作用反应机制中。当阳光充足并且能量吸收增加时,LHCSR1 蛋白在数秒内转换成另外一种形态。这种转换的发生是由当光合作用中水的分解生成过多的氢离子时,细胞内酸碱值的降低所导致的。

  当转换发生后,这种蛋白被锁定在一种网状结构中,使其将更多的光能转化成热量。然而,这种能量转化的具体工作机制还不为人知。

  另一种与关于酸碱值的反应机制也可以启动光保护作用。酸碱值的降低会激活细胞中可以改变类胡萝卜素的分子结构的一种酶。类胡萝卜素与 LHCSR1 蛋白的互相作用导致了这种蛋白更倾向于并维持光保护作用中该蛋白的形态。

  “这两项指标都由生物体中的反应机制所控制。酸碱值的改变是短时的反应,类胡萝卜素改变分子形态是长时的反应,”Schlau-Cohen 表示。

  促进光和作用

  绿色植物通常会在阳光的刺激下很快开启光保护作用,然而这种作用的停止却十分缓慢,Schlau-Cohen 表示。这种机制可以帮助植物得以生存,但同时导致了它们并不会产生最大量的生物质。在去年 11 月份《Science》杂志上发表的一项研究表明,加快植物停止光保护作用的速度可以使植物在自然生长环境中增加15%的生物质产量。

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  Schlau-Cohen 在意大利维罗纳大学(University of Verona)的同事最近在制造 LHCSR1 蛋白的变异体。研究人员计划检测这些蛋白变异体是否能增加植物生物质的产量的同时也为植物提供光保护作用的功能。

  “光保护作用对于植物的机体健康至关重要,所以如果光保护作用被移除,植物的正常生长将受到影响,”Schlau-Cohen 表示。“我们可以研究光保护作用中各种元素与光保护作用功能机制的因果对应关系,从而更有效地控制各种因素来达到我们希望的结果。”

  

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