Cyanobacteria begyndte at bidrage med ilt til Jordens for det meste skadelige atmosfære for mere end 2 milliarder år siden. Det fotosystem II -proteinkompleks, der nu deles af forskellige linjer af cyanobakterier, alger og jordplanter, har fungeret som et vigtigt sted for iltproduktion gennem hele livets historie på jorden lige siden.
Ironisk nok kan modtagelse af for meget lys beskadige fotosystem II og udhule den fotosyntetiske effektivitet af planter. Purdue University Biochemists Steven McKenzie og Sujith Puthiyaveetil har samlet nye, længe skjulte detaljer om, hvordan fotosystem II reparerer sig selv. McKenzie og Puthiyaveetils fund er blevet offentliggjort i tidsskriftet Plantkommunikation.
“Fotosystem II opdeler vand og ekstraherer elektroner og protoner, hvilket efterlader ilt som et biprodukt. Fotosystem II styrker derved livet på jorden,” sagde Puthiyaveetil, lektor i biokemi. Alligevel er “det stadig temmelig dårligt forstået, hvordan disse enorme proteinkomplekser, der bruger lysenergi til at producere ilt, er i stand til at blive repareret og vedligeholdt så effektivt på tværs af forskellige linjer af planter, alger og cyanobakterier.”
Projektets langsigtede mål er at lære at konstruere planter for at have bedre fotosyntetisk effektivitet, sagde McKenzie, en postdoktor i biokemi.
“Reparation af fotosystem II er en energisk dyr proces,” sagde McKenzie, der afsluttede sin ph.d. Ved Purdue i 2024. “Du skal adskille Photosystem II, forringe de beskadigede proteiner, resynteser nye proteiner og samler nye fotosystemer. Det er energisk dyre for chloroplasten.”
Reparation af fotosystem II i chloroplaster – siderne med fotosyntesen i planter og alger – er allerede ret effektiv, sagde McKenzie. “Men du kan gøre det mere effektivt ved at fremskynde reparationsprocessen eller gøre den mindre energikrævende.”
De seneste bestræbelser på at manipulere de fotobeskyttende veje for plantefotosyntesen har ført til øget fotosyntetisk effektivitet i afgrødeplanter. Genetisk konstruktion af forskellige aspekter af fotosystem II -reparationscyklus har på lignende måde potentiale for forbedring af fotosyntetisk effektivitet.
Inhibering af reparationscyklussen kan sænke effektiviteten af fotosyntesen drastisk, sagde Puthiyaveetil.
“Dette er en nøgleproces, der sker hele tiden. Selv i svagt lys vender fotosystem II over. I højt lys stiger skader og reparation virkelig op. Men nogle gange kan reparationshastigheden ikke holde trit med hastigheden af Skader, især under en kombination af højt lys og andre stressfaktorer, såsom tørke, saltholdighed og høj temperatur.
Da PhotoSystem II påtager sig det formidable job med at opdele vand ved hjælp af energi fra sollys, lider det fotodamage. For hver 10 millioner fotoner – lyspartikler – absorberet af blade, bliver et fotosystem II beskadiget. På en solskinsdag afskærmer et planteblad så mange som 10 quadrillion -fotoner pr. Sekund.
Hvordan dette proteinkompleks bliver taget fra hinanden for at fjerne og erstatte det beskadigede protein til opretholdelse af effektiv fotosyntese er længe vedvarende som et uopløst spørgsmål. Fotosystem II er enormt efter molekylære standarder, der består af omkring 25 proteinunderenheder, et par metalliske centre og scoringer af klorofyller og andre pigmentmolekyler.
Det nye papir viser, hvordan den kemiske proces med tilsætning af fosfatgrupper til proteiner – “proteinphosphorylering” – driver nogle af fotosystem II -adskillelsestrin i Arabidopsis -planter. Forskere har kendt siden 1977 om fosforylering af fotosystem II. Hvilken rolle det spillede i fotosystem II -reparationscyklus var imidlertid forblevet uklar.
Purdue -forskerne havde oprindeligt mistanke om, at phosphorylering udelukkende var ansvarlig for fotosystem II -adskillelse. Derefter foreslog McKenzie, at oxidativ proteinmodifikation også kan spille en rolle.
“Steve troede, at proteinoxidativt skader måske også kunne være en demonteringsmekanisme,” sagde Puthiyaveetil. Yderligere eksperimentering afslørede, at oxidativ proteinskade fungerer som en nøglemekanisme, der hjælper med at drive fotosystem II -adskillelse, især på de senere stadier. “Vi blev ganske overrasket over omfanget af det. Fuld kredit til Steve.”
Cyanobacteria, røde og brune alger og landplanter deler alle fotosystem II reparationsmekanisme, sagde McKenzie. Det, der gav ham ideen, er, at cyanobakterier og ikke-grønne alger mangler fotosystem II-phosphorylering og alligevel er i stand til at adskille og reparere deres fotosystemer.
“Vi var interesseret i at vide, om der var en alternativ mekanisme, der kunne være ansvarlig for at drive fotosystem II -adskillelse,” sagde McKenzie. “Derfor troede vi måske, at skaden på fotosystem II i sig selv kunne køre adskillelse af komplekset.”
Phosphorylering ser ud til at tjene to funktioner. “Det kan drive adskillelse, men det kan også sikre en kvalitetskontrolmekanisme til reparation,” sagde Puthiyaveetil. “Vi siger, at fordi når du adskiller det kompleks, skal du reparere komplekset.” Og planter reparerer ikke deres fotosystemer under vedvarende højt lys. “De venter på, at det høje lys forsvinder. Der er en slags molekylær mekanisme bag forsinkelsen mellem skade og reparation.”
Derefter, når lysniveauer vender tilbage til normal, begynder reparation og genmontering af det beskadigede protein. ”Det er kvalitetskontrol,” bemærkede Puthiyaveetil. “Måske vil phosphorylering forhindre nedbrydning af beskadigede proteiner, indtil de er blevet dephosphoryleret, da dephosphorylering har vist sig at være en forudsætning for nedbrydning.”
I sine eksperimenter anvendte McKenzie genetisk ændrede planter med forskellige niveauer af fotosystem II -phosphorylering. Han manipulerede også phosphoryleringsniveauer ved at ændre lys og kilden til fosfatgrupper. Ved at gøre det, “kan vi se, hvad der ændrer niveauerne af phosphorylering på Photosystem II gør mod demonterings- og reparationscyklus,” sagde han.