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光合作用机制的捷径可以使松树针头保持绿色

当大多数树木脱落时,例如用作圣诞树的针叶树如何在寒冬期间保持绿色针叶?科学并不能很好地回答这个问题,但是如今,包括梅奥大学(UmeåUniversity)的研究人员在内的国际科学家团队认为,光合作用机制的捷径可以使松树的针头保持绿色。这项研究发表在“自然通讯”杂志上。

在冬天,光能被绿色的叶绿素分子吸收,但由于冷冻温度停止了大多数生化反应,因此光合作用的下游反应无法利用。

在初春时温度仍然可能非常低,但是阳光已经很强,并且过剩的光能会破坏光合机械的蛋白质,这尤其是一个问题。研究人员表明,光合作用装置以一种特殊的方式接线,可使松针整年保持绿色。

在正常条件下,两个光系统,即吸收光能并转换为化学能的两个功能单元,彼此分开,以防止发生捷径并实现有效的光合作用。

在冬季,重组了两个光系统所在的类囊体膜的结构,使两个光系统物理接触。研究人员表明,光系统II将能量直接提供给光系统I,并且这种短路模式可以在条件恶劣时保护绿色叶绿素和针叶。

于默奥大学(UmeåUniversity)的博士生Pushan Bag说,“我们在三个季节里跟随瑞典北部默默(Umeå)生长的几棵松树,”他一年四季都收集了样本并进行了许多分析。

“至关重要的是,我们必须“直接从户外”研究针头,以防止它们在实验室环境中适应更高的温度,例如在使用电子显微镜对类囊体膜的结构进行可视化分析之前。

所有工厂都设有安全阀,以处理多余的光能,这些光能要么作为热量散发,要么作为荧光散发。然而,只有针叶树才具有如此强大的瓣膜,以至于在极端的寒冬期间它们都可以使光合装置保持完整。

该研究小组将生物化学和超快速荧光分析相结合,这是一种非常复杂的方法,可以在皮秒级的时间内解析叶绿素荧光。

这样,他们可以证明松针如何处理多余的光能,以保护其敏感的光合作用设备不受损害。

“我们需要调整设备以研究低温下的松针,以捕获独特的机理,”来自阿姆斯特丹Vrije大学的Volha Chukhutsina解释说,他已经进行了许多超快速荧光分析。“我们也尝试过云杉针,但是很难很好地将它们插入设备中。”

开发了时间分辨荧光测量方法的Alfred Holzwarth补充说:“松针给了我们研究这种捷径机制的机会,这种机制也被称为溢出,因为它们确实表现出了极大的适应性”。

这项研究是针对松树进行的,但研究人员认为,其他针叶树种的机理可能相似,例如典型的圣诞树云杉和冷杉,因为它们的光合装置相似。

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