Фотосинтетический контроль PSII активируется в бескислородных культурах зеленых водорослей после освещения.

Биология связи, том 6, Номер статьи: 514 (2023) Цитировать эту статью

781 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Считается, что фотосинтетическое производство водорода из микроводорослей имеет потенциал в качестве возобновляемого источника энергии. Тем не менее, у этого процесса есть два основных ограничения, мешающих его расширению; (i) потеря электронов в результате конкурирующих процессов, главным образом фиксации углерода, и (ii) чувствительности к O2, что снижает экспрессию и активность фермента гидрогеназы, катализирующего выработку H2. Здесь мы сообщаем о третьей, до сих пор неизвестной проблеме: мы обнаружили, что при аноксии в фотосистеме II (PSII) активируется переключатель замедления, снижающий максимальную продуктивность фотосинтеза в три раза. Используя очищенный PSII и применяя in vivo спектроскопические и масс-спектрометрические методы к культурам Chlamydomonas reinhardtii, мы показываем, что этот переключатель активируется в условиях аноксии, в течение 10 с освещения. Кроме того, мы показываем, что восстановление исходной скорости происходит после 15 минут темновой аноксии, и предлагаем механизм, при котором модуляция переноса электронов в акцепторном сайте PSII снижает его выход. Такое понимание механизма расширяет наше понимание бескислородного фотосинтеза и его регуляции у зеленых водорослей и вдохновляет на новые стратегии по повышению выхода биоэнергии.

Фотосинтетический поток электронов имеет решающее значение для развития сложной жизни на Земле, поскольку в этом процессе солнечный свет используется в качестве основного источника энергии для большинства живых организмов. Этот процесс наиболее известен своей ролью в выделении O2 фотосистемой II (PSII) цианобактерий, водорослей и растений1,2. Однако сбор солнечного света, хотя и очень эффективен в качестве основного источника энергии, не обходится без проблем. Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются растения, является нестабильность и непостоянство уровней освещенности. Чтобы преодолеть эти проблемы, растения развили сложную сеть регуляторных процессов, которые настраивают эффективность фотосинтетического аппарата. Процесс потока электронов постоянно регулируется для обхода барьеров в зависимости от наличия метаболитов фотосинтетического аппарата. Было высказано предположение, что окислительно-восстановительное равновесие и сублокализация комплексов в тилакоидной мембране обеспечивают «фотосинтетический контроль» и поддерживают поток электронов в соответствии с емкостью системы3,4. Зеленые микроводоросли, которые постоянно подвергаются изменениям окружающей среды, также выработали несколько регуляторных механизмов, позволяющих справляться с быстрыми изменениями качества и интенсивности света5. Эти процессы позволяют клеткам справляться с быстрым переходом из темноты, поскольку они увеличивают количество доступных последующих продуктов обеих фотосистем и, таким образом, смягчают ограничения на акцепторной стороне. Однако когда такой переход происходит в условиях анаэробиоза из-за дыхания клеток или внешнего поглощения O2, выделение H2 под действием гидрогеназы, которая в противном случае склонна к инактивации O26, становится единственным эффективным клапаном, который справляется с избытком энергии при такое внезапное воздействие света7,8,9.

Производство H2 из зеленых водорослей привлекает множество исследований, поскольку считается потенциальным возобновляемым источником энергии. Недавно был достигнут возможный прорыв в его масштабируемости, поскольку было продемонстрировано длительное производство H2 в окружающей среде10,11. Соответственно, было показано, что две основные проблемы, которые сдерживают масштабируемое производство H2 зелеными водорослями (инактивация повреждением O2 и конкуренция с фиксацией CO212,13), разрешимы. Действительно, ранее было показано, что воздействие на клетки переменного света длительностью от нескольких минут или меньше может ограничить уровень O2 до низких уровней и, таким образом, улучшить устойчивость производства H27,14,15. Однако такие попытки разрешили еще один, пока неустановленный барьер на пути эволюции H2. Было показано, что первоначальное воздействие света после анаэробной инкубации в темноте вызывает быстрый поток электронов, о чем свидетельствуют высокие скорости выделения H2. Напротив, последовательные воздействия приводят к 3-кратному уменьшению накопления H2, независимо от количества циклов темноты-света7. На сегодняшний день механизм, ответственный за этот резкий спад, остается неясным. В этой работе мы исследовали причины этого массового снижения посредством оценки глобальных и локальных потоков электронов в интактных культурах водорослей и очищенных комплексах PSII. Мы записали и интегрировали процессы переноса электронов от центра выделения кислорода (OEC) в PSII к процессам, происходящим после PSI. Наши результаты показывают, что окислительно-восстановительный «фотосинтетический контроль», который отвечает за замедление активности Cytb6f, создает ограничения акцептора на PSII, что изменяет его внутренний механизм потока электронов и вызывает массовое снижение эффективного выхода электронов. Это подавление, возможно, связанное с фотовосстановлением O2 в акцепторном сайте PSII и, возможно, с альтернативной конформацией расположения остатков его акцепторного сайта, позже транслируется в значительное снижение продукции H2.