Desvendando os mecanismos de fotoinibição em plantas

Assim como a luz solar intensa pode danificar a visão humana, a exposição excessiva à luz pode danificar componentes críticos da fotossíntese. Um estudo recente visa entender melhor como as plantas protegem sua função fotossintética do excesso de luz.

A fotossíntese é um processo vital que permite que as plantas convertam energia luminosa em energia química. Consiste em dois estágios: as reações dependentes de luz e o ciclo de Calvin. Nas reações dependentes de luz, a energia luminosa é capturada pela clorofila e transferida para os complexos de proteínas fotossistema II e fotossistema I, que acionam o transporte de elétrons para produzir ATP e NADPH. Esses produtos são então usados ​​no ciclo de Calvin para converter dióxido de carbono em açúcar.

O excesso de luz resulta em muita energia absorvida, levando à formação de espécies reativas de oxigênio que podem danificar a maquinaria fotossintética, especialmente o fotossistema II. Esse comprometimento da fotossíntese induzido pela luz é conhecido como fotoinibição.

Os mecanismos que as plantas usam para se proteger dos efeitos nocivos da luz excessiva são chamados fotoprotetor dissipação dependente. Os mecanismos de fotoproteção incluem, entre outros, a dissipação do excesso de energia na forma de calor, prevenindo a formação de espécies reativas de oxigênio nocivas, e a transferência de energia para moléculas de clorofila em outros complexos do fotossistema para equilibrar a distribuição de energia e minimizar o estresse.

A energia luminosa absorvida pela clorofila pode ter um dos três destinos: pode ser usado para conduzir a fotossíntese, ser dissipado como calor ou ser reemitido como fluorescência. Esses três processos ocorrem em competição. A fluorescência é relativamente fácil de medir, então os pesquisadores a usam para quantificar a fotoinibição. Geralmente, sob condições de alta luminosidade, a dissipação de energia fotoprotetora e dependente da fotoinibição aumenta, diminuindo assim a fotossíntese e a fluorescência.

Apesar dos avanços consideráveis ​​em nossa compreensão da fotoinibição, os mecanismos exatos de como o estresse por alta luminosidade causa danos à maquinaria fotossintética ainda estão em debate.

Tim Nies, um estudante de doutorado na Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf, e seus colegas publicaram recentemente um estudo detalhando seus quantificação e explicação dos mecanismos por trás da fotoinibição. Eles expandiram um modelo matemático de fotossíntese e então usaram dados experimentais para melhorar seu modelo e identificar os principais mecanismos envolvidos na extinção não fotoquímica.

“Nosso modelo fornece uma descrição dinâmica da cadeia de transporte de elétrons fotossintéticos, extinção não fotoquímica e fotoinibição, permitindo-nos simular mudanças de curto e longo prazo na fluorescência emitida pelo tecido fotossintético. Com este modelo, estabelecemos uma estrutura que pode ser usada para estudar a conexão entre mecanismos fotoprotetores e os danos infligidos por luz alta, que está longe de ser totalmente compreendida”, explicou Nies. 

Os autores coletaram dados experimentais sobre fotodano e fluorescência que foram então usados ​​para refinar seu modelo. Eles empregaram quatro tratamentos que esperavam produzir diferentes níveis de fotoproteção e fotoinibição: tipo selvagem Arabidopsis Taliana e npq1 plantas mutantes foram tratadas com lincomicina ou água como controle. npq1 plantas mutantes não possuem uma enzima crucial envolvida na fotoproteção, enquanto a lincomicina inibe a síntese de proteínas em cloroplastos, impedindo o reparo da maquinaria fotossintética devido aos danos causados ​​pela luz.

Quando exposto ao excesso de luz, npq1 as plantas tratadas com lincomicina foram mais sensíveis ao estresse luminoso, seguidas pelas plantas selvagens tratadas com lincomicina, npq1 plantas tratadas com água, e então plantas selvagens tratadas com água. Essa gama de respostas forneceu aos autores um rico conjunto de dados para refinar seu modelo.

Os autores começaram sua análise computacional com suposições simples para seu modelo e gradualmente adicionaram complexidade com base em pesquisas anteriores até que correspondesse com precisão aos dados experimentais. Isso permitiu que eles identificassem dois mecanismos principais de como o fotodano afeta a fluorescência.

As plantas podem se proteger do excesso de luz dissipando o excesso de energia como calor. Os autores inicialmente simularam as habilidades de dissipação de calor de complexos saudáveis ​​do fotossistema II e aqueles com complexos fotodanificados como sendo os mesmos. Pesquisas anteriores sugerem que complexos saudáveis ​​e fotodanificados do fotossistema II podem diferir em sua eficiência para dissipar calor sob condições de alta luminosidade. Ao incluir esse fator em seu modelo, os pesquisadores foram capazes de simular com mais precisão as variações observadas nos tratamentos experimentais.

As moléculas de clorofila podem transferir energia para moléculas próximas em outros complexos de fotossistemas para coleta de energia luminosa e fotoproteção. No entanto, os pesquisadores não concordam se a energia pode ser transferida de complexos saudáveis ​​do fotossistema II para complexos danificados do fotossistema II. Os autores conduziram simulações que permitiram ou restringiram a transferência de energia entre complexos saudáveis ​​do fotossistema II e aqueles com danos. Eles descobriram que permitir a transferência de energia para complexos danificados melhorou a capacidade do modelo de replicar as diferenças entre o tipo selvagem e o npq1 mutante. Esses resultados sugerem que a transferência de energia do fotossistema II saudável para o danificado pode ocorrer.

Nies conclui: “Ao continuar a adicionar complexidade ao nosso modelo, fomos capazes de identificar componentes críticos para o modelo. Este trabalho ajuda a esclarecer quais processos contribuem para as mudanças dinâmicas da fotossíntese sob estresse de alta luminosidade e chama atenção especial para a necessidade de incluí-los em modelos matemáticos de fotossíntese.”

LEIA O ARTIGO:

Tim Nies, Shizue Matsubara, Oliver Ebenhöh, Um modelo matemático de fotoinibição: explorando o impacto dos processos de extinção, in silico Plants, Volume 6, Edição 1, 2024, diae001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae001

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O código para esta pesquisa está disponível abertamente no GitHub em https://gitlab.com/qtb-hhu/models/2023-photoinhibition.