Así como la luz solar intensa puede dañar la vista humana, la exposición excesiva a la luz puede dañar componentes críticos de la fotosíntesis. Un estudio reciente tiene como objetivo comprender mejor cómo las plantas protegen su función fotosintética del exceso de luz.
La fotosíntesis es un proceso vital que permite a las plantas convertir la energía luminosa en energía química. Consta de dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin. En las reacciones dependientes de la luz, la energía luminosa es captada por la clorofila y transferida a los complejos proteicos fotosistema II y fotosistema I, que activan el transporte de electrones para producir ATP y NADPH. Estos productos se utilizan luego en el ciclo de Calvin para convertir el dióxido de carbono en azúcar.
El exceso de luz produce una absorción excesiva de energía, lo que lleva a la formación de especies reactivas de oxígeno que pueden dañar la maquinaria fotosintética, especialmente el fotosistema II. Este deterioro de la fotosíntesis inducido por la luz se conoce como fotoinhibición.
Los mecanismos que utilizan las plantas para protegerse de los efectos nocivos del exceso de luz se denominan fotoprotector disipación dependienteLos mecanismos de fotoprotección incluyen, entre otros, la disipación del exceso de energía en forma de calor, la prevención de la formación de especies reactivas de oxígeno dañinas y la transferencia de energía a moléculas de clorofila en otros complejos del fotosistema para equilibrar la distribución de energía y minimizar el estrés.
La energía luminosa absorbida por la clorofila puede tener Uno de los tres destinos:puede utilizarse para impulsar la fotosíntesis, disiparse como calor o reemitirse como fluorescenciaEstos tres procesos se dan en competencia. La fluorescencia es relativamente fácil de medir, por lo que los investigadores la utilizan para cuantificar la fotoinhibición. Generalmente, en condiciones de alta luminosidad, la disipación de energía fotoprotectora y dependiente de la fotoinhibición aumenta, disminuyendo así la fotosíntesis y la fluorescencia.
A pesar de los considerables avances en nuestra comprensión de la fotoinhibición, los mecanismos exactos mediante los cuales el estrés lumínico intenso daña la maquinaria fotosintética aún son objeto de debate.
Tim Nies, estudiante de doctorado en la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, y sus colegas publicaron recientemente un estudio que detalla sus cuantificación y explicación de los mecanismos detrás de la fotoinhibiciónAmpliaron un modelo matemático de la fotosíntesis y luego utilizaron datos experimentales para mejorar su modelo y señalar los mecanismos clave involucrados en la extinción no fotoquímica.
“Nuestro modelo proporciona una descripción dinámica de la cadena de transporte de electrones fotosintéticos, la extinción no fotoquímica y la fotoinhibición, lo que nos permite simular cambios a corto y largo plazo en la fluorescencia emitida por el tejido fotosintético. Con este modelo, establecimos un marco que puede usarse para estudiar la conexión entre los mecanismos fotoprotectores y el daño infligido por la luz intensa, que aún está lejos de comprenderse por completo”, explicó Nies.
Los autores recopilaron datos experimentales sobre fotodaño y fluorescencia que luego utilizaron para refinar su modelo. Emplearon cuatro tratamientos que se esperaba que produjeran diferentes niveles de fotoprotección y fotoinhibición: tipo salvaje Arabidopsis thaliana y npq1 Las plantas mutantes se trataron con lincomicina o agua como control. npq1 Las plantas mutantes carecen de una enzima crucial involucrada en la fotoprotección, mientras que la lincomicina inhibe la síntesis de proteínas en los cloroplastos, impidiendo la reparación de la maquinaria fotosintética debido al daño causado por la luz.
Cuando se expone a un exceso de luz, npq1 Las plantas tratadas con lincomicina fueron las más sensibles al estrés lumínico, seguidas por las plantas de tipo silvestre tratadas con lincomicina. npq1 plantas tratadas con agua y, luego, plantas de tipo silvestre tratadas con agua. Esta gama de respuestas proporcionó a los autores un rico conjunto de datos para refinar su modelo.
Los autores comenzaron su análisis computacional con suposiciones simples para su modelo y gradualmente agregaron complejidad en función de investigaciones previas hasta que coincidió con precisión con los datos experimentales. Esto les permitió identificar dos mecanismos clave de cómo el fotodaño afecta la fluorescencia.
Las plantas pueden protegerse del exceso de luz disipando el exceso de energía en forma de calor. Los autores inicialmente simularon que las capacidades de disipación de calor de los complejos del fotosistema II sanos y de aquellos con complejos fotodañados eran las mismas. Investigaciones anteriores sugieren que los complejos fotodañados y sanos del fotosistema II pueden diferir en su eficiencia para disipar el calor en condiciones de alta luz. Al incluir este factor en su modelo, los investigadores pudieron simular con mayor precisión las variaciones observadas en los tratamientos experimentales.
Las moléculas de clorofila pueden transferir energía a moléculas cercanas en otros complejos del fotosistema para la captación de energía lumínica y la fotoprotección. Sin embargo, los investigadores no están de acuerdo en si la energía puede transferirse desde complejos del fotosistema II sanos a complejos del fotosistema II dañados. Los autores realizaron simulaciones que permitían o restringían la transferencia de energía entre complejos del fotosistema II sanos y aquellos con daños. Descubrieron que permitir la transferencia de energía a complejos dañados mejoraba la capacidad del modelo para replicar las diferencias entre el tipo salvaje y el tipo npq1 mutante. Estos resultados sugieren que podría ocurrir una transferencia de energía del fotosistema II sano al dañado.
Nies concluye: “Al seguir añadiendo complejidad a nuestro modelo, pudimos identificar componentes críticos para el mismo. Este trabajo ayuda a aclarar qué procesos contribuyen a los cambios dinámicos de la fotosíntesis bajo estrés lumínico intenso y llama la atención sobre la necesidad de incluirlos en los modelos matemáticos de la fotosíntesis”.
LEE EL ARTÍCULO:
Tim Nies, Shizue Matsubara, Oliver Ebenhöh, Un modelo matemático de fotoinhibición: exploración del impacto de los procesos de extinción, in silico Plants, Volumen 6, Número 1, 2024, diae001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae001
El código para esta investigación está disponible abiertamente en GitHub en https://gitlab.com/qtb-hhu/models/2023-photoinhibition.
Dévoiler les mécanismes de photoinhibition chez les plantes - Vent d'Autan
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