藻类如何利用记忆来抵御阳光的突然变化

波动的阳光给植物和绿藻带来了挑战，它们必须快速调整其光合系统，以在不断变化的条件下保持高效。帮助这种反应的是一种基本记忆，它使这些生物体能够更快地对先前波动后的光线变化做出反应。

劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)科学家最近在《自然通讯》上发表的一项研究现在揭示了这种光保护记忆如何工作的细节。研究结果可能有助于科学家培育更多产的植物并提高作物产量。

伯克利实验室生物科学领域的高级科学家、伯克利实验室的化学教授格雷厄姆·弗莱明(GrahamFleming)说：“云从太阳前面经过会导致植物的光照强度大幅跃升，很快就会从光照过多变成光照不足。”加州大学伯克利分校，他与伯克利实验室生物科学领域的科学家、加州大学伯克利分校植物和微生物生物学教授KrishnaNiyogi共同领导了这项研究。

“植物的效率以及它们的生存，与它们如何应对这些巨大的波动有关。如果我们了解如何改善植物的光保护反应和光波动之间的匹配，那么我们就可以提高其生产力。”

植物和绿藻的光保护反应涉及三种吸光色素分子：紫黄质(V)、蒽黄质(A)和玉米黄质(Z)。在所谓的VAZ循环中，光的波动会触发这些分子之间的化学转化，消散太阳能的爆发并帮助调节和保护光合蛋白质。

为了了解VAZ循环如何响应波动的光，研究人员使用了一种名为微拟球藻的藻类，这是一种简单的模型生物，也可用于生物燃料行业。他们将北大洋洲暴露在暗光和高强度光交替的不规则序列中，间隔时间从1到15分钟不等。

研究人员使用高效液相色谱法测量了整个光序列中三种颜料的不同浓度，以确定它们之间的转换率。他们还通过进行时间相关的单光子计数实验来探究藻类在序列期间耗散光能的能力。

藻类记忆的新模型

根据实验结果，该团队开发了一个系统理论模型，能够预测其在更大范围条件下的行为。

加州大学伯克利分校博士后研究员托马斯·费伊(ThomasFay)表示：“建模将我们关于生物化学和定量测量的想法汇集在一起​​，形成一幅正在发生的事情的连贯图片，填补了我们无法直接通过实验获得的空白。”该研究的主要作者。“使用该模型，我们可以了解该VAZ循环的哪些组成部分对于光保护很重要，以及系统如何在之前的曝光后更快地做出响应。”

从这些结果中得出的结论是，VAZ循环的三部分性质是藻类光保护记忆的关键。当亮光打开时，V转化为A，A转化为Z，分子最能消散多余的光能。当灯关闭时，Z转换回A，最终转换为V。

然而，不同的转换以不同的速率发生。当强光关闭时，从A到V的转换比Z到A的转换要慢得多，因此如果强光突然重新亮起，系统可以反转方向并快速补充Z的浓度。这些转化率的差异起到了缓冲的作用，减慢了关键步骤的速度，并允许系统在需要时快速改变方向。

“植物不知道在任何时刻都会遇到什么样的光照条件，因此这种记忆意味着，在弱光时期，当它们最有效地运转时，它们仍然做好了准备，准备好在另一个强光照射时受到保护。，高压力事件发生，”加州大学伯克利分校伯克利实验室生物科学领域的研究生、该研究的共同主要作者奥黛丽·肖特(AudreyShort)说。

“人们想象植物和藻类就像绿色太阳能电池被动吸收阳光，但这绝对不是事实，”弗莱明说。“他们一直在做出反应，不断调整以适应环境中发生的事情。”

进一步研究和后续步骤

该研究还调查了N.oceanica突变体中的VAZ循环，这些突变体经过基因改造以抑制参与光保护反应的关键分子的活性。

研究人员测量了这些突变菌株的光耗散行为，并将结果与​​数学模型的预测进行了比较，在数学模型中，他们通过将这些关键分子的活性设置为零来模拟突变。令他们惊讶的是，研究人员发现实验和预测之间几乎完美一致，这让他们对模型的有效性和鲁棒性更有信心。

在这项工作的基础上，研究小组现在正在探索一种藻类的行为，这种藻类被设计成只有两部分的光保护反应系统。研究人员还计划将他们的研究扩展到植物，植物比藻类复杂得多，并且具有响应光波动的额外机制。