Солнечный свет необходим для фотосинтетического процесса, однако его избыток может вызвать окислительный стресс и ожоги у растений. Для защиты от этих негативных последствий морские водоросли разработали эффективный пигмент сифонеин.
Избыточное солнечное излучение может нарушить фотосинтез, вызывая ожоги у растений и других организмов, которые используют солнечный свет для получения энергии. Однако морские водоросли нашли умный способ защиты.
Группа исследователей из Университета Метрополитен в Осаке и их коллеги выяснили, что пигмент сифонеин помогает морским зеленым водорослям осуществлять фотосинтез, не нанося себе вреда. Результаты работы были опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science.
Фотосинтетические организмы используют сложные светособирающие комплексы (ССК) для улавливания солнечной энергии. В процессе фотосинтеза хлорофилл поглощает свет и переходит в возбужденное синглетное состояние.
При нормальном уровне освещения эта энергия эффективно передается к центру фотосинтетической реакции, что запускает химические преобразования. Но избыточный свет может привести к тому, что молекулы хлорофилла окажутся в опасном триплетном состоянии, которое является источником активных форм кислорода, способных вызывать окислительный стресс и повреждения тканей.
Как отметила Рицуко Фуджи, ведущий автор и доцент Высшей школы науки и исследовательского центра искусственного фотосинтеза при Столичном университете Осаки, для быстрого рассеивания избыточной энергии или гашения триплетных состояний организмы применяют каротиноиды. Процесс гашения называется триплет-триплетным переносом энергии. Однако долгое время оставались неясными правила, определяющие защиту от солнечных ожогов.
Исследовательская группа изучала Codium fragile, морскую зеленую водоросль. Подобно наземным растениям, у нее есть светособирающая «антенна» LHCII, однако с одним отличием: она содержит нестандартные каротиноиды сифонеин и сифонаксантин, которые позволяют водоросли использовать зеленую часть спектра для фотосинтеза.
По словам соавтора исследования Алессандро Агостини из Университета Падуи, Италия, ключ к механизму гашения избыточной энергии заключается в скорости и эффективности деактивации триплетных состояний. С помощью усовершенствованной спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), которая позволяет прямо фиксировать триплетные возбужденные состояния, группа сравнила Codium fragile с огородным шпинатом (Spinacia oleracea).
После короткого периода избыточной инсоляции в шпинате все еще наблюдались слабые сигналы триплетных состояний хлорофилла. В отличие от него, в Codium fragile эти вредные состояния полностью исчезли, что служит явным доказательством того, что каротиноиды в системе водорослей полностью подавляют их. Исследование подтвердило, что структура антенн у фотосинтезирующих зеленых водорослей отлично защищает от избыточных фотонов.
Объединив ЭПР с квантово-химическим моделированием, команда установила, что сифонеин, находящийся в ключевом месте связывания LHCII, является основным фактором этого впечатляющего защитного эффекта.