Měření množství dopadající energie světla. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy

Transkript

1 Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy Měření množství dopadající energie světla Ozářenost: W.m -2 (= J.s -1.m -2 ) (osvětlenost: ln.m -2 = lux)? Fotonová (kvantová) ozářenost: mol.s -1.m -2 Vzájemné převody závisí na vlnových délkách fotonů (tedy přesné jsou jen pro monochromatické světlo)! E A420 = 292 kj mol -1 E A680 = 176 kj mol -1

2 Závislost rychlosti čisté fotosyntézy (P N ) na ozářenosti (PAR) - s rostoucí ozářeností klesá účinnost využití záření 30 0,07 ε - kvantový výtěžek ε =mol CO 2 /mol kvant (kvantum = foton) (µmol CO 2 m -2 s -1 ) P N ( P N ε 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 ε (mol CO 2 mol -1 quanta) -5 0, P A R (µm ol m -2 s -1 ) ε- max. teoretická hodnota = 0,125 mol CO 2 / mol kvant (min. kvantový požadavek Q (ε = 1/Q) je: Q = 8 mol kvant / mol CO 2 ) 2 H 2 O 4 e- 4 fotony v PSII 4 fotony PSI 2 NADPH Na redukci každé ze dvou fosfoglycerových kys. vzniklých po navázání CO 2 na ribulóza-1,5- bisfosfát je potřeba 1 NADPH (které se oxiduje) Využití energie záření - účinnost využití difúzního záření je vyšší

3 Osudy energie fotonu po absorpci molekulou pigmentu - přenos energie (FRET) na sousední pigment - fotochemie (uvolnění elektronu v RC) - vyzáření energie ve formě fluorescence (3 5 % x 30 % roztok) - uvolnění části či celé energie ve formě tepla (15 20 %) - reakce s kyslíkem (vznik reaktivních forem kyslíku - ROS) Zhášení fluorescence - fotochemické až 80 % absorbované světelné energie použito pro fotochemii (využití energie na syntézu ATP a redukci NADP+) - nefotochemické cca 15 % vyzářeno v podobě tepla zahřívání listu Využívá se k měření účinnosti fotosyntézy (vyšší výtěžek fluorescence = nižší účinnost fotochemie) Fluorescence chlorofylu: 680 nm LHCII 685 nm CP nm CP nm PSI core 740 nm LHCI

4 Fluorescence chlorofylu (bez dalších pulzů = Kautského křivka) Fotochemické zhášení qp = (F m F s )/(F m F 0 ) kolik E jde k PSI Fotochemie (rychle) Fixace CO2 (pomaleji) Nefotochemické zhášení qn = (F m F m )/(F m F 0 ) F0 všechny PSII mohou přijímat energii (= min. fluorescence) Fm žádný PSII nemůže přijmout energii (saturační pulz) (Q A red. = max. fluorescence) F v = F m F 0 variabilní fluorescence F v / F m účinnost využití excitační energie otevřenými PSII (max. účinnost) (poměrně konstantní = 0,83 kvantovému požadavku 9-10 fotonů na O 2 ) Fs steady state fluorescence při daném osvětlení Nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu = fotoprotekce q E okamžitá aktivace disipace (ph!): PsbS, LHCII, Zx q E pomalejší ochrana (ph): xantofylový cyklus q I fotoinhibice (poškození! - disipace poškozenými PSII) q T state transition (fosforylace LHCII) méně významné při ochraně u vyšších rostlin (řasy!)

5 Fotoinhibice soubor procesů projevujících se snížením rychlosti fotosyntézy při zvyšující se ozářenosti Fotopoškození (snížení počtu fčních fotosystémů) - fotosyntetických struktur (proteinů) - UV světlo, oxidativní poškození (ROS, P680 +, ) ROS: 1 O 2 - nastává i za nízké ozářenosti, ale rychlá oprava nenastává fotoinhibice Fotoprotekce (snížení E přenesené do RC k fixaci CO 2 ) - předcházení fotopoškození (rychle vratné změny) Fotopoškození mechanismy a cíle PSII 1) blok transportu elektronů 2) poškození D1 (D2, proteiny cyt b559) Vysoká ozářenost: akceptorová strana PSII málo PQ 3 P680* 1 O 2 donorová strana 1 - OEC poškození (UV), odpoutání vnějších proteinů 2 P oxidativní poškození okolí Nízká ozářenost: Q B- - rekombinace náboje zpět na P680 3 P680* 1 O 2

6 Fotopoškození mechanismy a cíle PSI - jen při nízké teplotě (zřejmě inhibicí aktivity SOD Cu/Zn) - kumulativní poškození celého PSI 1. O 2- poškození FeS klastrů (F A, F B ) blok transportu e - Pomalá oprava mnoho dní po přenesení do tepla Oprava PSII výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) Odbourání 1. fosforylace proteinů PSII (STN8, příp. STN7) 2. odpoutání LHCII, monomerizace 3. transport do strom. membrán, odpoutání OEC proteinů 4. defosforylace PBCP (TLP40) 5. degradace D1 (FtsH, degh) Vložení nového 1. kotranslačně (interakce s D2 a cyt b559) 2. odštěpení C-konce v luminu 3. interakce s anténami CP43, CP47 4. připojení dalších podjednotek (OEC) 5. monomer do gran, dimerizace, LHCII

7 Fotoinhibice je způsobena příliš silnou ozářeností Původní představa: - D1 je poškozován přebytkem záření zachyceného fotosyntetickými pigmenty ALE (při bloku repair chloramfenicol, lincomycin) - rychlost poškození je zcela úměrná ozářenosti! (tedy nastává i při nízké ozářenosti!) - účinné vlnové délky se liší od absorpce Chl a karotenoidů - nemění se inhibicí DCMU (blok QA QB) ani glykol (glycer)aldehydem (blok fosforibulokinase), ani ROS!

8 Revize: ozářenost vede k fotopoškození D1, příliš silná ozářenost vede k inhibici reparace D1 Primární poškození ne absorpce, ne ROS Cíl - Mn klastr - přímá absorpce záření (UV, žluté) - uvolnění Mn neredukuje se primární donor (alt. donor ascorbate) - P680+ poškození D1 Výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) - silně inhibována ROS (~ ozářenosti!) - inhibice translace D1 (EF-G) Fotoinhibice (fotopoškození) důsledek nerovnováhy mezi poškozením a opravnými pochody

9 Fotoprotekce - ochrana před nadbytečným Strukturní úroveň listu - paraheliotropismus (x dia-) - tenčí listy, ochranné pigmenty (x UV, VIS) (fenolické l., antokyany, flavonoidy) úroveň buňky: dlouhodobé: méně chloroplastů, krátkodobé: pohyb chloroplastů tokem energie - PHOT1, 2, CHUP1, aktin, - méně poškození, méně ROS (repair) pevné nastavení není tropismus! ROS: Zhášení: Fotoprotekce - tvorba na PSII i PSI - inhibice chloroplastové translace

10 Fotoprotekce Změny na úrovni chloroplastu dlouhodobější: méně LHCII a LHCI ku PSII a PSI (rel. rychlá degradace Lhcb 1,2,3 a 6) méně PSI a PSII ku Rubisco krátkodobé - zvýšení disipace: Protonace PsbS, odpoutání + změna konformace LHCII Xantofylový cyklus (+ klastrování LHCII) State transition (LHCII k PSI) fosforylace LHCII (STN7 kinase Lhcb 1,2,4) cyklický transport PSI qt - state transition: Regulace rozdělování energie mezi PS I a PS II - migrace komplexů LHCII - fosforylace (STN7 PQH 2 ) ven z gran = k PSI - zpět k PSII (pomalu, samovolně) - defosforylace (PPH1) - význam především při nižší a proměnlivé ozářenosti převládá NCET PTOX převládá CET - příliš redukovaný pool PQH 2 může být oxidován PTOX (plastid terminal oxidase) PTOX - přenos e - na kyslík (ztráta energie), mírně se tvoří H + gradient Galka et al. Plant Cell 2012

11 qe a qz mechanismy NPQ Q1 rychlé změny (ph), potřeba PsbS, konformace Lhcb! Q2 pomalejší, závislé na zeaxantinu Regulace prostřednictvím ph v lumen tylakoidu (qt) Xanthofyly anteraxanthin a zeaxanthin - zvýšená disipace světelné energie (teplo): chl excit + karotenoid => karotenoid excit + chl karotenoid + teplo (kinetická E) - přenos energie není doprovázen přenosem elektronu na chl a! - zvýšená schopnost odvádění nadbytečné energie z chlorofylu - méně energie do fotochemie

12 Xantofylový cyklus - modifikace karotenoidů - deepoxidace při poklesu ph - VDE x ZEP Diurnální změny - violaxanthin a zeaxanthin - anteraxanthin stabilnější hladina -prostřednictvím violaxanthin deepoxidase (VDE) - disipace až 80 % exc. singletových chlorofylů - u zastíněných zůstává deepoxid. stav déle - u jehličnanů v zimě permanentně deepoxidováno Místo disipace - LHCII Xantofylový cyklus Tylakoidní membrány bohaté na lipid monogalactosyldiacylglycerol (MGDG)

13 Funkce karotenoidů Lutein: (i) strukturní stabilizace, (ii) light harvesting (iii) zhášení 3 Chl Zx (Ax): (i) zhášení 1 Chl v LHCII (ii) antioxidant nevázaná forma v membránách tylakoidů Nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu = fotoprotekce q E okamžitá aktivace disipace (ph!): PsbS, LHCII, Zx q E pomalejší ochrana (ph): xantofylový cyklus q I fotoinhibice (poškození! - disipace poškozenými PSII) q T state transition (fosforylace LHCII) méně významné při ochraně u vyšších rostlin (řasy!)

14 Asimilace záření listem Anatomické adaptace: Epidermis (koncentrování světla) Palisádový prostup světla Houbový odrazy na površích (rozptyl) Variabilita asimilačních orgánů Vybrané fyziologické charakteristiky listů: (2548 druhů na 175 lokalitách planety) 1. Specifická hmotnost 14 až 1500 g (DM) m Kapacita fotosyntézy (P N ) 5 až 660 nmol (CO 2 ) g -1 s Obsah N v sušině listů 0,2 až 6,4 % 4. Doba života: 0,9 až 288 měsíců Velikost listové čepele 2 - různé strategie investic do vytváření listů v závislosti na vnějších podmínkách - Wright et al. 2004, Nature

15 Fotosyntetická produktivita ekosystémů na Zemi Celosvětová produkce: 105 Pg (C) rok -1 tedy 200 g (C) rok -1 m -2 (P peta ) 1 g C > 3,7 g CO 2 a 2,5 g DM (dry matter) 1 g CO 2 > 0,27 g C a 0,675 g DM 1 g DM > 1,47 g CO 2 a 0,378 g C