De relatie tussen fotosynthese en licht is wel eens beschreven als Januskop, de Romeinse god die wordt afgebeeld met twee gezichten in tegengestelde richtingen. Licht is namelijk noodzakelijk voor het opnemen van CO2, maar blijkt tegelijkertijd nadelig voor planten en algen. Er ontstaat schade in de cellen. Het onderzoeksteam slaagde erin op moleculair niveau het ontstaan van deze schade te begrijpen. De bevindingen zijn gepubliceerd in Science Advances.
Essentieel biologisch proces
Fotosynthese is één van de belangrijkste biologische processen op aarde. Tijdens de fotosynthese gebruiken wateralgen en landplanten zonne-energie om koolstof uit de lucht vast te leggen en om te zetten in suikers, die zij vervolgens gebruiken om te groeien.
De omzetting van licht in chemisch bruikbare energie is essentieel voor praktisch alle levende organismen op aarden. Denk aan voedsel voor planteneters, die weer als voedsel dienen voor prooidieren. Het bijproduct van fotosynthese, zuurstof, hebben alle organismen nodig om in leven te blijven. Tot slot hebben fotosynthetische organismen de fossiele brandstoffen gecreëerd die de mens weer inzet als energiebronnen.
Foto-inhibitie
Het huidige onderzoek richt zich op het proces van foto-inhibitie wat optreedt onder invloed van licht. Als de lichtintensiteit groter wordt, neemt de efficiëntie van de fotosynthese af. Foto-inhibitie draagt in belangrijke mate bij tot de daling van de productiviteit van akkergewassen. Verwacht wordt dat dit nog ernstig zal toenemen als gevolg van klimaatverandering.
Uniek enzym
Wojciech Nawrocki, eerste auteur van het onderzoek legt uit: “Foto-inhibitie wordt het best waargenomen bij hoge lichtintensiteiten, hoewel het eigenlijk continu in alle lichtomstandigheden plaatsvindt. Het is bekend dat het resulteert in fysieke schade aan Fotosysteem II (PSII). Dat is het unieke biologische enzym dat in staat is watermoleculen te splitsen in elektronen, protonen en zuurstof. Het toeval wil dat licht dit enzym soms inactiveert. Het enzym moet dan in de cellen worden gerepareerd, een proces dat veel energie kost.
Eencellig modelalg
De onderzoekers hebben in het lab eencellige modelalg gebruikt om de plaats van de schade binnen het enzym PSII te lokaliseren. Samen met collega’s uit Frankrijk en de VS hebben ze een groot aantal spectroscopische, biochemische, computationele en genetische methodes gebruikt om de moleculaire details van de foto-inhibitie te ontrafelen. Promotor Roberta Croce: “Wij konden op basis van deze experimenten concluderen dat de beschadiging gepaard gaat met de vorming van een pigment waar een deel van de geabsorbeerde lichtenergie onmiddellijk wordt afgevoerd. We hebben vervolgens aangetoond dat dit pigment zich in het centrum van PSII bevindt. De onderzoekers stellen voor dat het om een specifiek chlorofyl, ChlD1 genaamd, dat tijdens de foto-inhibitie wordt geoxideerd.”
Strategieën om schade te verkleinen
Deze conclusies dragen bij aan een beter begrip van het proces van foto-inhibitie, dat de hoeveelheid biomassa in gewassen beperkt. De kennis kan helpen om strategieën te ontwikkelen om de schade te verkleinen. Ook kunnen methoden ontwikkeld worden om de status van planten beter meetbaar te maken voor boeren.