Fotosinteza je centralni proces kojim biljke grade biomasu koristeći svetlost, vodu i ugljen-dioksid iz vazduha. Sticanje detaljnog razumevanja ovog procesa omogućava da se on modifikuje i na taj način optimizuje — na primer, u cilju povećanja proizvodnje hrane ili tolerancije na stres.
Istraživačka grupa koju vodi profesor dr Ute Armbruster sa Instituta za molekularnu fotosintezu pri HHU ispituje ovaj proces iz različitih perspektiva. Zajedno sa interdisciplinarnim istraživačkim timom, grupa sada predstavlja svoje nalaze o procesima uključenim u reakcije biljaka na različite svetlosne uslove u aktuelnoj publikaciji u Nature Communications.
Institut Maks Plank za molekularnu fiziologiju biljaka u Golmu i istraživačke grupe sa univerziteta u Bergenu (Norveška), Bohumu, Minsteru i Potsdamu su bili uključeni u rad.
Fotosinteza se sastoji od dva koraka ili „modula“. Pre svega, u takozvanoj svetlosnoj reakciji, svetlosna energija se pretvara u hemijsku energiju koju biljka može da iskoristi u obliku molekula ATP i NADPH. Ova energija se zatim koristi za fiksiranje ugljen-dioksida iz vazduha u biomasu putem „reakcije fiksiranja ugljenika“.
Biljke žive u svetlosnim uslovima koji se često brzo menjaju. Da bi se ovo svetlo maksimalno iskoristilo, moduli moraju biti blisko sinhronizovani. Do danas je bilo malo naučnih istraživanja o ovoj sinhronizaciji.
Ako je previše svetao, biljka ne može da pretvori svu svetlosnu energiju; ovo je potencijalno štetna situacija. Da bi se osiguralo da višak svetlosne energije ne uzrokuje štetu — što može dovesti do stvaranja, na primer, visoko reaktivnih vrsta kiseonika — biljka aktivira zaštitni mehanizam: takozvano energetski zavisno gašenje (skraćeno: „kE“ ) obezbeđuje da se višak energije isprazni u obliku toplote.
Iz ranijih istraživanja poznato je da se kE ponovo brže isključuje pomoću „tilakoidnog K+-izmenjivačkog antiportera 3” (KEA3) u senci. Međutim, proces je i dalje toliko spor u celini da se korisna svetlosna energija gubi kada se osvetljenost smanji.
Po prvi put, istraživački tim je sada identifikovao molekularni mehanizam pomoću kojeg dva modula fotosinteze sinhronizuju svoje aktivnosti preko KEA3. Da bi to postigli, istraživači su koristili i kompjuterske simulacije i različite eksperimentalne pristupe, uključujući biosenzore.
Prvo, pH vrednost medijuma koji okružuje tilakoidnu membranu veoma dinamično reaguje na promene svetlosti. Drugo, struktura, a time i aktivnost KEA3 se menja u skladu sa pH vrednošću. Međutim, ovo se dešava samo kada je KEA3 takođe vezao ATP i NADPH. U višku svetlosti, to dovodi do inaktivacije KEA3, što omogućava kE da bude aktivan. Nakon naglog prelaska u senku, KEA3 se aktivira, što pojačava svetlosne reakcije fotosinteze.
Profesor Armbruster je rekao: „Kroz naš rad, sada po prvi put razumemo kako dva funkcionalna modula fotosinteze komuniciraju jedan sa drugim putem KEA3. Važno je to znati u cilju razvoja strategija za poboljšanje fotosinteze na terenu, u kako bi se dugoročno povećali prinosi useva“.
