光照也會損害植物？晴朗天氣30％光能就夠了

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眾說周知，光合作用的價值不僅僅體現在將光能轉化成化學能，而且也是維持植物生存的重要手段。然而，殊不知凡事都是物極必反，如果植物收到過度的光照，多餘的能量將有可能嚴重損壞植物組織。

因此，為了抵禦過度光照，植物會生成一種叫做光保護作用的防禦機制來消散多餘的光能。近日，麻省理工學院（MIT）和義大利維羅納大學（University of Verona）的研究人員們發現了這項機制中的特定蛋白是如何進行保護工作的，並已將成果發布在《自然-化學》（Nature Chemistry）期刊上。

他們發現，嵌在葉綠體薄膜中的一種特殊的蛋白質可以根據光照的變化改變自己的狀態。當藻類植物接收到過度的光照時，它會將多餘的光能以熱量的形式消散，防止過高的能量造成細胞損壞。這種蛋白可以在光照變化的數秒之內（如太陽從雲層後出現）作出反應。

「這種光照保護機制是由於自然界中陽光光照不均勻造成的。自然界中天氣有時是晴天，有時會是陰天；有時天氣會陰晴交替，如雲彩會暫時遮住太陽，或者植物會暫時被其他陰影遮擋，」來自麻省理工學院化學系的助理教授，同時也是這項研究的主要負責人 Gabriela Schlau-Cohen 這樣表示。

圖丨麻省理工學院化學系的助理教授Gabriela Schlau-Cohen

她說，對這種蛋白進行更深入的研究是十分有益的，它將有助於科學家實現對植物光合作用功能的調節。這樣一來，我們就有可能增加農作物和藻類植物的生物量產量，從而獲得更多的生物燃料。

光照太多也會物極必反

當植物進行光合作用時，一種叫做捕光複合物的蛋白質在如葉綠素的色素的幫助下吸收光子來捕捉光能。這些光子驅動一系列的反應來生產糖分分子，使植物可以儲存能量。

大部分植物會吸收比它們本身需要多得多的光照。在晴朗的條件下，僅有30%的光能被轉化成了糖分，剩下的能量被以熱量的形式釋放了出去。

Schlau-Cohen 表示，「在陽光充足的條件下，植物中有許多機體根本用不到的過剩能量。」 如果這些能量繼續留在植物體內，會生成一種叫做自由基的有害分子，破壞植物中的蛋白質和其他細胞中的分子。

幾年前的一項研究發現，藻類植物中一種叫做 LHCSR1 的蛋白質可以開啟短時間的光保護作用（數秒到數分鐘）。這種蛋白質鑲嵌在葉綠體的薄膜上，並與葉綠素和類胡蘿蔔素（另一種吸收光照的色素）互相作用。然而，這種光保護作用機制的工作原理到目前為止還沒有被徹底地研究清楚。

圖丨藻類植物中的 LHCSR1 蛋白質

在這項研究中，Schlau-Cohen 和她的同事使用了可以分析單個蛋白質的精密顯微鏡來確定藻類植物中的 LHCSR1 蛋白質是如何對不同光照條件作出反應的。他們發現這種蛋白質可以形成 3 種不同的形態以對應 3 種不同的功能。

在光線較暗的條件下，LHCSR1 蛋白吸收光子並將光子傳遞到光合作用反應機制中。當陽光充足並且能量吸收增加時，LHCSR1 蛋白在數秒內轉換成另外一種形態。這種轉換的發生是由當光合作用中水的分解生成過多的氫離子時，細胞內酸鹼值的降低所導致的。

當轉換髮生後，這種蛋白被鎖定在一種網狀結構中，使其將更多的光能轉化成熱量。然而，這種能量轉化的具體工作機制還不為人知。

另一種與關於酸鹼值的反應機制也可以啟動光保護作用。酸鹼值的降低會激活細胞中可以改變類胡蘿蔔素的分子結構的一種酶。類胡蘿蔔素與 LHCSR1 蛋白的互相作用導致了這種蛋白更傾向於並維持光保護作用中該蛋白的形態。

「這兩項指標都由生物體中的反應機制所控制。酸鹼值的改變是短時的反應，類胡蘿蔔素改變分子形態是長時的反應，」 Schlau-Cohen 表示。

促進光和作用

綠色植物通常會在陽光的刺激下很快開啟光保護作用，然而這種作用的停止卻十分緩慢，Schlau-Cohen 表示。這種機制可以幫助植物得以生存，但同時導致了它們並不會產生最大量的生物質。在去年 11 月份《Science》雜誌上發表的一項研究表明，加快植物停止光保護作用的速度可以使植物在自然生長環境中增加15%的生物質產量。

Schlau-Cohen 在義大利維羅納大學（University of Verona）的同事最近在製造 LHCSR1 蛋白的變異體。研究人員計劃檢測這些蛋白變異體是否能增加植物生物質的產量的同時也為植物提供光保護作用的功能。

「光保護作用對於植物的機體健康至關重要，所以如果光保護作用被移除，植物的正常生長將受到影響，」Schlau-Cohen 表示。「我們可以研究光保護作用中各種元素與光保護作用功能機制的因果對應關係，從而更有效地控制各種因素來達到我們希望的結果。」

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