De studie vond de regulatie van fotosynthese onder veranderende lichtomstandigheden

Planten worden voor onderzoeksdoeleinden doorgaans onder constant licht gekweekt, waarbij de buitenomstandigheden niet worden nagebootst. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Moleculaire Fysiologie van Planten in Potsdam-Golm (Duitsland) en de Faculteit der Natuurwetenschappen van de Michigan State University (VS) toonden het belang aan van twee sleuteleiwitten voor de dynamische controle van fotosynthese in een reeks experimenten met verandering . Lichtomstandigheden, die de natuurlijke interactie van licht en schaduw simuleren. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift New Phytologist.

Planten voeren fotosynthese uit om te groeien. Daarbij gebruiken ze energie uit zonlicht, geven ze zuurstof af en produceren ze koolhydraten, de primaire voedselbron voor alle mensen en bijna alle dieren op aarde. Onder natuurlijke omstandigheden kan de beschikbaarheid van licht in zeer korte tijd snel veranderen. Een van de belangrijkste redenen zijn wolken, die voor licht en schaduw zorgen als ze voor de zon langs gaan. Ook de bladeren en twijgen van planten kunnen tijdelijk voor schaduw zorgen als ze door de wind worden bewogen. Planten kunnen niet van de schaduw naar de zon gaan als het licht beperkt is, en omgekeerd kunnen ze niet van de zon naar de schaduw ontsnappen als ze aan te veel zonlicht worden blootgesteld. Ze moeten op andere manieren reageren op veranderende lichtomstandigheden. Net als voor mensen is te veel zonlicht slecht voor planten. Met name de snelle overgang tussen zwak en intens licht is problematisch. Net als het netvlies gebruiken planten deeltjes in hun bladeren om lichtdeeltjes op te vangen. Bij weinig licht zijn deze lichtvallen zeer effectief in het opvangen van zoveel mogelijk weinig licht. Als de lichtomstandigheden plotseling veranderen, kan er te veel lichtenergie de plant bereiken. Deze energie kan het delicate fotosynthetische apparaat in plantencellen overbelasten of beschadigen. Dienovereenkomstig moeten planten hun fotosyntheseactiviteit constant aanpassen aan hun omgevingsomstandigheden om enerzijds een maximale lichtproductie te verkrijgen, maar anderzijds te voorkomen dat ze worden geschaad door te veel licht.

Tot nu toe werden planten bijna uitsluitend in kassen en laboratoria gekweekt onder constante, gelijkmatige lichtomstandigheden. Daarom is ons begrip van hoe aanpassing aan veranderende lichtomstandigheden werkt zeer beperkt. In het ergste geval kan dit ertoe leiden dat planten goed groeien in laboratoria en kassen, maar plotseling veel slechter presteren dan verwacht wanneer ze in het veld worden gekweekt. Regulering van fotosynthese onder wisselende lichtomstandigheden

Onderzoekers Ute Armbruster van het Max Planck Instituut voor Moleculaire Plantenfysiologie in Potsdam-Golm en David Kramer van de Faculteit der Natuurwetenschappen van de Michigan State University (VS) onderzochten Arabidopsis thaliana voor hun studie. De planten werden gekweekt onder verschillende omstandigheden, waaronder stilstaand, variabel en natuurlijk licht. De studie concentreerde zich op twee ionentransporteiwitten, VCCN1 en KEA3 genaamd, die een sleutelrol spelen bij het dynamisch aanpassen van de prestaties van fotosynthese. Uit eerdere onderzoeken is bekend dat VCCN1 de zonbescherming activeert als het licht ineens te sterk wordt. Wanneer de lichtintensiteit daalt, breekt een tweede eiwit, KEA3, deze zonnebrandcrème snel af, zodat de plant weer meer licht kan opnemen. De VCCN1- en KEA3-eiwitten werden echter niet onderzocht onder realistische lichtomstandigheden. De onderzoekers gebruikten een innovatieve nieuwe benadering om fotosynthese te meten in combinatie met het gerichte gebruik van genetische knock-outs – planten waarvan de genen voor VCCN1 en KEA3 zijn uitgeschakeld. Ze toonden aan dat de activiteit van de VCCN1- en KEA3-eiwitten afhing van de lichtomstandigheden waarin de planten ontstonden. Naar aanleiding van suggesties van het hoofd van de Plant Growing Infrastructure Group, Dr. Karen Cole, concentreerden de onderzoekers zich in de analyse op twee lichtfactoren die verband houden met groei en konden ze aantonen dat zowel de hoeveelheid licht die een plant ontvangt als de frequentie van lichtfluctuaties hebben een sterk effect op de functie van ionentransporteurs. De beschermende functie van VCCN1 is alleen significant in planten die eerder onder weinig licht zijn gekweekt. Aan de andere kant was de KEA3, die de bescherming elimineert, zelfs actief in perioden met veel licht wanneer de planten werden gekweekt onder omstandigheden met een hoge lichtintensiteit.

Zonbescherming hangt ook af van de mate van lichtschommelingen waaraan de planten worden blootgesteld. Wanneer de lichtomstandigheden drastisch veranderen, produceren planten het oranje pigment zeaxanthine, dat ook betrokken is bij bescherming tegen de zon. De productie van deze zonnebrandcrème wordt ook onder omstandigheden met veel licht door KEA3 geremd. “Onze studie laat zien dat we niet afzonderlijk moeten kijken naar het effect van groeilicht en snelle reacties op lichtfluctuaties”, zei hoofdauteur Thekla von Bismarck, eraan toevoegend: “Integratie van meerdere tijdschalen en metabolismeniveaus op een steeds complexere manier zal presenteren “Dit levert belangrijke ideeën op voor het verbeteren van gewasopbrengsten in het veld.” (Al-Ani)

(Dit verhaal is niet bewerkt door Devdiscourse-medewerkers en is automatisch gegenereerd op basis van een gesyndiceerde feed.)