從過去學習：藻類如何利用記憶來抵抗瞬間變化的陽光

主要要點

• 變化的陽光對植物和綠藻提出了挑戰，這些生物必須迅速調整其光合作用系統以在變化的環境中保持效率。

• 一種原始的記憶機制幫助這些生物在先前光照變化後更快速地回應光照變化。這一現象通過由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）科學家領導的一項研究揭示，該研究最近發表在《自然通訊》上，結果可能有助於科學家開發更高產的植物，提升作物產量。

「雲層在太陽前方移過可能會使植物的光強度瞬間大幅變化，從過多的光線迅速變為不足的光線。」伯克利實驗室生物科學區的高級研究科學家、加州大學伯克利分校化學教授格雷厄姆·弗萊明（Graham Fleming）說，他與克里希納·尼約基（Krishna Niyogi）共同主導了這項研究。「植物的效率，因此它們的生存，與它們如何應對這些巨大波動有關。如果我們了解如何提高植物光保護反應與光變化的匹配，那麼我們就能提高它的生產力。」

研究背景

植物和綠藻中的光保護反應涉及三種吸光色素分子：紫藻黃素（violaxanthin，V）、橙藻黃素（antheraxanthin，A）和晶藻黃素（zeaxanthin，Z）。在所謂的VAZ循環中，光的變化會觸發這些分子之間的化學轉換，消散突發的太陽能量，同時幫助調節和保護光合作用蛋白質。

為了理解VAZ循環如何響應變化光照，研究人員使用了一種稱為Nannochloropsis oceanica的藻類，這是一種簡單的模型生物，並在生物燃料行業中有應用。他們將N. oceanica暴露在不規則的黑暗和高強度光源的交替序列中，間隔時間從一分鐘到十五分鐘不等。研究人員使用高效液相色譜測量這三種色素在光序列中的變化濃度，以確定它們之間的轉換速率。他們還通過進行時間相關的單光子計數實驗來探究該藻類在序列中的光能量消散能力。

新的藻類記憶模型

根據實驗結果，團隊開發了一個理論模型，能夠預測在更廣泛條件下的行為。這項建模工作由伯克利實驗室材料科學部的研究科學家、大學化學教授大衛·林默（David Limmer）主導。

「建模將我們對生物化學和定量測量的想法整合為一個連貫的全貌，填補了我們無法直接通過實驗獲取的空白。」加州大學伯克利分校的博士後研究員、多項研究的主要作者托馬斯·費伊（Thomas Fay）表示。「使用這個模型，我們可以了解這個VAZ循環中對光保護重要的組件，以及系統在之前暴露後如何更快地反應。」

這些結果顯示，VAZ循環的三部分結構是藻類光保護記憶的關鍵。當亮光開啟時，V轉換為A，然後再轉換為Z，這種分子最能消散過多的光能。當光關閉時，Z再轉換回A，最終轉換回V。然而，這些轉換的速率各不相同。當亮光關閉時，A轉回V的速度比Z轉回A慢得多，因此如果光線突然又回來，系統可以反向操作，迅速補充Z的濃度。這種轉換速率的差異如同一種緩衝，使得關鍵步驟變得緩慢，並允許系統在需要時迅速改變方向。

「植物無法預知任何時刻會遇到何種光照條件，因此這種記憶意味著在低光環境下運作最為高效的時候，它們仍然做好準備來應對另一種高光、高壓力的事件。」伯克利實驗室生物科學區的加州大學博士生奧黛麗·肖特（Audrey Short）說，她是該研究的共同首席作者。

進一步的研究和下一步計劃

該研究還包括對N. oceanica的突變變體的VAZ循環進行調查，這些突變體被基因改造以抑制光保護反應中關鍵分子的活性。研究人員測量這些突變株的光能量消散行為，並將結果與數學模型的預測進行比較，其中它們通過將關鍵分子的活性設為零來模擬突變。令他們驚訝的是，研究人員發現實驗結果與預測非常吻合，這使他們對模型的有效性和穩定性有了更高的信心。

基於這一工作，研究團隊現在正在探索被設計為僅具有兩部分光保護反應系統的藻類行為。研究人員還計劃將調查擴展到植物，因為植物比藻類要複雜得多，並且具有額外的應對光照變化的機制。

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Meta Title: 學習過去：藻類如何利用記憶保護自身免受陽光劇變

Meta Description: 本文探討了藻類如何通過記憶機制應對陽光的劇變，並介紹了一項新研究如何揭示這一光保護反應的運作，為改善植物生長提供潛在指導。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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