"Personaalne uurimistoetus" projekt PUT393
PUT393 (PUT393) "Oodatust madalam fotosünteesi kvantsaagis taimelehtedes - põhjused ja parandamise perspektiivid (1.01.2014−31.12.2017)", Agu Laisk, Tartu Ülikool, Loodus- ja täppisteaduste valdkond, tehnoloogiainstituut.
PUT393
Oodatust madalam fotosünteesi kvantsaagis taimelehtedes - põhjused ja parandamise perspektiivid
Lower than expected quantum yield of photosynthesis in leaves - mechanistic reasons and prospects of improvement
1.01.2014
31.12.2017
Teadus- ja arendusprojekt
Personaalne uurimistoetus
Otsinguprojekt
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
1. Bio- ja keskkonnateadused1.12. Bio- ja keskkonnateadustega seotud uuringud, näiteks biotehnoloogia, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, biofüüsika, majandus- ja tehnoloogiauuringudP330 Bioenergeetika 1.5. Bioteadused (bioloogia, botaanika, bakterioloogia, mikrobioloogia, zooloogia, entomoloogia, geneetika, biokeemia, biofüüsika jt100,0
PerioodSumma
01.01.2014−31.12.201446 320,00 EUR
01.01.2015−31.12.201546 320,00 EUR
01.01.2016−31.12.201646 320,00 EUR
01.01.2017−31.12.201746 320,00 EUR
185 280,00 EUR

Teeme ettepaneku uurida tingimusi ja mehhanisme, mis põhjustavad taimelehe fotosünteesi kvantsaagise languse. Usutakse, et fotosünteesi kvantsaagise määrab fotosüsteemi II (PSII) saagis. Viimane on tavaliselt samastatud laengute lahutamise saagisega, mis avaldub klorofülli fluorestsentsist: YII = (Fm – F0)/Fm = 0.9. Hiljutistes töödes leidsime, et mõõdetud O2 eraldumise kvantsaagis oli palju madalam kui fluorestsentsist määratud väärtus. Selgus, et ca 30% lahutatud laengutest rekombineerub või ringleb tagasi PSII doonorpoolele. Püstitame hüpoteesi, et see madal saagis ei ole PSII põhimõtteline sisemine puudus (PSII elektrontransport on väga hästi uuritud), vaid lehe rakkudes samaaegselt toimuvad metabolismiprotsessid muudavad rakkudes tingimusi (nt. pH, inhibeerivad metaboliidid) sel määral, et mõjutada PSII ja sellega seotud O2 eraldumise aparaadi töö efektiivsust. Kui leiame madala saagise põhjused, võib osutuda võimalikuks neid ka kõrvaldada, nt. soovitades sobivaid kasvutingimusi.
We propose to investigate processes and mechanisms leading to decreased quantum yield of photosynthesis in plant leaves. It is generally believed that the quantum yield of photosynthesis is determined by the yield of charge separation in photosystem II (PSII), related to Chlorophyll fluorescence as YII = (Fm – F0)/Fm = 0.9. In recent works we found that in sunflower the measured quantum yield of O2 evolution was much lower than the charge separation yield in PSII. About 30% of separated charges recombined or recycled back to the donor side. We hypothesize that the losses are due not to some intrinsic inefficiency of PSII (a well investigated photochemical mechanism), but in leaf cells the simultaneous carbon metabolism modifies the conditions in chloroplasts (pH, inhibiting metabolites) to the extent influencing the efficiency of PSII and of the water splitting machinery. The reasons found, recommendations could be given to improve the efficiency of photosynthesis.
Fotosüntees on tähtis looduslik protsess, milles päikesevalguse toimel vee ja süsihappegaasi reaktsioonis tekib orgaaniline aine ja eraldub hapnik. Fotosünteesi kasutegur ehk kvantsaagis määrab taimede kasvukiiruse nii päikese- kui ka elektrivalguses. Teadaolevalt peaks kvantsaagis olema 0,113 O2 või CO2 footoni kohta ehk 8,85 footoni energia tarbitud iga CO2 või O2 kohta. Mõõtmised näitavad harva nii kõrget saagist, tüüpiliselt on kulu 10-12 footonit CO2/O2 kohta. Selles projektis tehti kindlaks suure kvantkulu kaks tähtsamat põhjust. Ühe CO2 sidumiseks tuleb valguse toimel lagundada 2 H2O molekuli, millest eraldatud 4 elektroni kantakse üle CO2 molekulile. See toimub kahe valgusreaktsiooni abil, nii et kokku kulub vähemalt 2x4 = 8 footonit. Elektronide ülekanne CO2-le nõuab aga 3 ATP (adenosiintrifosfaadi) lisaenergiat, kusjuures ATP sünteesitakse elektronide eraldumisel vabanenud prootonite liikumisel läbi ATP süntaasi ensüümi. On selgunud, et ATP süntaasi efektiivsus on sedavõrd madal, et nelja elektroniga seotud prootonite energiast ei jätku vajaliku 3 ATP sünteesiks, vaid osa elektrone tuleb korduvalt prootoniga siduda ja uuesti foto-energiseerida. Siin on pakutud uudne mehhanism, mille abil fotosüsteem II saab elektrone ja prootoneid tsükliliselt pumbata, kuni vajalikud 3 ATP on sünteesitud. Madala kvantsaagise teine põhjus on kahe fotosüsteemi erinev efektiivsus. Elektronid läbivad järjestikku kaks valgusreaktsiooni, mis peavad footoneid neelama vastavalt nende töökiirusele. Töökiirus oleks võrdne kui tsüklilist ülekannet ei oleks, tegelikult aga peab see fotosüsteem neelama rohkem footoneid, kus osa elektrone tsükliliselt tiirleb. Meie mõõtmised näitasid, et fotosüsteemide tasakaal on valguse erinevatel lainepikkustel erinev ja sageli on fotosüsteem II üle-ergastatud, põhjustades “liiklusummiku” kahe fotosüsteemi vahel. Seda saab vältida valgustades taimi lisaks valgele veel pikalainelise (> 680 nm) valgusega, mis eelistatult ergastab fotosüsteemi I.