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光合作用的快捷方式使圣诞树在冬季保持绿色

时间:2022-05-07 18:58:03来源:

杉树在冬天。

当大多数树木落叶时,例如用作圣诞树的针叶树如何在寒冬期间保持绿色针叶?科学并不能很好地解决这个问题,但是如今,包括默奥大学(UmeåUniversity)研究人员在内的国际科学家团队已经破译,光合作用机制的捷径可以使松树的针头保持绿色。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

在冬天,光能被绿色的叶绿素分子吸收,但由于冷冻温度停止了大多数生化反应,因此光合作用的下游反应无法利用。在初春时温度仍然可能非常低,但阳光已经很强,并且过剩的光能会破坏光合作用蛋白的蛋白质,这尤其是个问题。研究人员表明,光合作用装置以一种特殊的方式接线,可使松针整年保持绿色。

在正常条件下,两个光系统,即吸收光能并转换为化学能的两个功能单元,要保持彼此分开,以防止发生捷径并实现高效的光合作用。在冬季,重组了两个光系统所在的类囊体膜的结构,使两个光系统物理接触。研究人员表明,光系统II将能量直接捐赠给光系统I,并且这种短路模式可以在恶劣的条件下保护绿色叶绿素和针叶。

于默奥大学的博士生Pushan Bag说,“在三个季节里,我们追踪了瑞典北部默默地区生长的几棵松树,”他一年四季都收集了样本并进行了许多分析。“至关重要的是,我们必须“直接从室外”使用针头,以防止它们在实验室环境中适应更高的温度,例如在使用电子显微镜对类囊体膜的结构进行可视化分析之前。

所有工厂都设有安全阀,以处理多余的光能,这些光能要么作为热量散发,要么作为荧光散发。但是,只有针叶树才具有如此强大的瓣膜,以至于在极端的寒冬期间它们都可以使光合装置保持完整。该研究小组将生物化学和超快速荧光分析相结合,这是一种非常复杂的方法,可以在皮秒级的时间内解析叶绿素荧光。这样,他们可以证明松针如何处理多余的光能,以保护其敏感的光合作用设备不受损害。

“我们需要调整设备以研究低温下的松针,以捕获独特的机理,”来自阿姆斯特丹Vrije Universiteit大学的Volha Chukhutsina解释说,他已经进行了许多超快速荧光分析。“我们也尝试过云杉针,但是很难很好地将它们插入设备中。”

开发了时间分辨荧光测量的Alfred Holzwarth补充说:“松针为我们提供了研究这种捷径机制(也称为溢出)的机会,因为它们确实表现出了极大的适应性。”

这项研究是针对松树进行的,但研究人员认为,其他针叶树的机理可能很相似,例如典型的圣诞树云杉和冷杉,因为它们的光合装置相似。

于默奥大学(UmeåUniversity)的斯特凡·詹森(Stefan Jansson)教授说:“这种非凡的适应性不仅在圣诞节期间让我们享受,而且实际上对人类来说极为重要。”“´ Hadnt针叶树能够在极端严酷的冬季气候中生存,因为针叶树提供了柴火,房屋和其他必需品,北半球的广大地区可能没有被殖民。直到今天,它们仍然是大部分极地针叶林地区的经济基础。”

参考:“ Pushan Bag,Volha Chukhutsina,Zishan Zhang,Suman Paul,Alexander G. Ivanov,Tatyana Shutova,Roberta Croce,Alfred R. Holzwarth和Stefan Jansson撰写的“从光系统II到光系统I的直接能量传递赋予了苏格兰松树冬季可持续性” 2020年12月,《自然通讯》。DOI:
10.1038 / s41467-020-20137-9

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