Mezinárodní tým vedený Romanem Kouřilem z Univerzity Palackého popsal unikátní uspořádání fotosyntetického aparátu smrku. Ukázal, že jehličnany využívají odlišnou strukturní organizaci fotosystému II než kvetoucí rostliny – a to jim může dávat výhodu v extrémních světelných podmínkách.
Při fotosyntéze využívají rostliny sluneční energii a přeměňují oxid uhličitý a vodu na organické látky (hlavně cukry) a kyslík. Není překvapivé, že rostliny v závislosti na místě růstu volí odlišné strategie, aby co nejlépe využily světelné podmínky.
Na toto téma se zaměřuje biofyzik Roman Kouřil z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, který se specializuje na strukturní výzkum fotosyntetických proteinových komplexů pomocí elektronové mikroskopie. Zaměřuje se především na studium uspořádání proteinů v jedné z klíčových komponent fotosyntetického aparátu, ve fotosystému II. Úkolem těchto proteinů je zachytit světlo, přeměnit ho na energii a tu předat dalším molekulám ve fotosyntetickém aparátu.
Příprava transgenních rostlin Arabidopsis thaliana
Protein Lhcb8 jako znak fotosystému II jehličnanů
Ve svém výzkumu se Roman Kouřil věnoval specifické strukturní organizaci fotosystému II u jehličnanů, v níž hraje významnou roli protein Lhcb8. Ten se u většiny krytosemenných rostlin objevuje pouze za určitých světelných podmínek, zatímco u smrku a dalších zástupců čeledi borovicovitých je trvalou součástí fotosystému II, nezávisle na osvětlení. Výzkumníci se proto zaměřili na to, jakou roli Lhcb8 hraje ve struktuře a funkčním uspořádání fotosystému II.
Pomocí kryogenní elektronové mikroskopie získali 3D strukturu fotosystému II ze smrku, která umožnila poprvé detailně popsat prostorové uspořádání proteinu Lhcb8 v rámci celého komplexu. Analýza ukázala, že u jehličnanů je Lhcb8 stabilní a charakteristickou součástí fotosystému II.
Uspořádání světlosběrného aparátu u jehličnanů vědci porovnávali s modelovým organismem – huseníčkem rolním (Arabidopsis thaliana). Ukázali, že u jehličnanů protein Lhcb8 zaujímá pozici, která je u krytosemenných rostlin obsazena proteinem Lhcb4, jenž jeběžnou součástí fotosystému II.
Odlišná strategie smrku a huseníčku
Po popisu struktury se vědci zaměřili na to, jak se rozdílné uspořádání fotosystému II promítá do chování rostlin při různém osvětlení. Zkoumali, zda se odlišné uspořádání fotosystému II může promítat do odlišné regulace fotosyntetického aparátu ve specifických světelných podmínkách ve srovnání s krytosemennými rostlinami.
Obě rostliny proto sledovali v rámci tzv. aklimatační studie. Pěstovali je v různých světelných podmínkách a porovnávali jejich fotosyntetickou odezvu. Pokusy odhalily, že smrk a huseníček uplatňují odlišné strategie regulace světlosběrného aparátu. „Smrk si například zachovává stabilní velikost antény a poměr fotosystému I a II, zatímco huseníček tyto parametry výrazněji přizpůsobuje aktuálním světelným podmínkám,“ shrnuje hlavní závěry docent Roman Kouřil.
Struktura fotosystému II ze smrku ztepilého (Picea abies) určená pomocí kryogenní elektronové mikroskopie
Pokusy s mutantními liniemi
V další fázi výzkumu se vědci snažili rozlišit, do jaké míry jsou rozdíly mezi fotosystémem II u jehličnanů a krytosemenných rostlin dány samotným složením světlosběrných proteinů a do jaké míry se na nich podílejí další regulační mechanismy vyvinuté v průběhu evoluce. U jehličnanů totiž přirozeně chybí i některé další světlosběrné proteiny, konkrétně Lhcb3 a Lhcb6, zatímco je zde trvale přítomen protein Lhcb8.
Výzkumníci proto připravili mutantní linie huseníčku rolního, u nichž se pokusili napodobit tuto kombinaci proteinů typickou pro jehličnany. „Tento směr výzkumu je pro nás klíčový i proto, že chceme pochopit evoluční adaptace rostlin na různé světelné podmínky,“ vysvětluje výzkumník.
Mutantní rostliny postrádající proteiny Lhcb3 a Lhcb6 a současně obsahující protein Lhcb8 však nevytvořily očekávané „smrkové“ uspořádání fotosystému II. „Je frustrující i fascinující zároveň, že se nám u huseníčku dlouhodobě nedaří napodobit smrkové uspořádání fotosystému II. Naznačuje to, že roli hrají i další, dosud neznámé faktory, které vznik této specifické struktury regulují,“ analyzuje docent Roman Kouřil.
Výsledky ukazují, že samotné složení světlosběrných proteinů nestačí k vytvoření specifické struktury fotosystému II u jehličnanů a že vznik této architektury je pravděpodobně řízen dalšími, dosud ne zcela známými faktory. Zjištění tak podtrhují komplexnost mechanismů, které jsou určující pro sestavování daného typu fotosyntetických komplexů u různých skupin rostlin.
Nevzdáváme se!
Výzkum struktury fotosystému II u jehličnanů tímto rozhodně nekončí. Vědecký tým Romana Kouřila se i nadále snaží pochopit, jaké další faktory stojí za tím, že se specifické „smrkové“ uspořádání fotosystému II nedaří jednoduše přenést do modelové rostliny huseníčku. „Máme k dispozici několik mutantních linií a zároveň i nové indicie, konkrétní faktory, které by mohly hrát zásadní roli při formování této specifické struktury,“ popisuje vědec, který strávil devět let ve výzkumné skupině elektronové mikroskopie na Univerzitě v Groningenu v Nizozemsku. Právě zde se začal systematicky věnovat strukturnímu výzkumu fotosyntetických proteinových komplexů.
V další fázi výzkumu plánuje pomocí kryogenní elektronové mikroskopie analyzovat také větší varianty smrkového fotosystému II, v nichž se mohou projevit další strukturní principy sestavování fotosyntetického aparátu typické pro jehličnany. Dlouhodobým cílem je porozumět, jakou evoluční výhodu mohly jehličnany díky odlišné struktuře tohoto komplexu získat. „Pokud se nám podaří smrkový typ struktury fotosystému II úspěšně rekonstruovat i u modelové rostliny, mohli bychom lépe porozumět tomu, jak se rostliny adaptují na různé světelné podmínky,“ uzavírá výzkumník. Tyto poznatky by pak mohly být inspirací při snahách o zvyšování efektivity fotosyntézy u kulturních plodin.
Snímek olomoucké výzkumné skupiny, která zahrnuje výzkumníky z katedry biofyziky a katedry experimentální biologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, Ústavu experimentální botaniky AV ČR a z vědeckého centra CATRIN Univerzity Palackého (řešitel projektu Roman Kouřil vlevo dole)