Kasvit yhteyttävät valoenergian avulla hiilidioksidista ja vedestä hiilihydraatteja, jotka toimivat elämän rakennuspalikoina ja energialähteenä. Fotosynteesin sivutuotteena syntyy happea, joka samaan aikaan aiheuttaa yhteyttämistä hidastavia sivureaktioita.
– Fotosyteesi on kehittynyt olosuhteissa, jossa ilmakehän happipitoisuus oli matala ja hiilidioksidipitoisuus korkea. Fotosynteettisten organismien maailmanvalloituksen myötä ilmakehän happipitoisuus on noussut, jolloin sivurektiot ovat muodostuneet ongelmaksi fotosynteesille, kertoo molekulaarisen kasvibiologian yliopisto-opettaja Mikko Tikkanen Turun yliopistosta.
Kasvit ovat kehittäneet suojamekanismeja sivureaktioita vastaan, mutta niistä huolimatta vaurioita ei voi kokonaan välttää. Akatemiaprofessori Eva-Mari Aron johtama tutkimusryhmä kuitenkin huomasi, että vaurioituminen muuttaa valoreaktio I:ksi kutsutun fotosynteesin varhaisen reaktion toimintaa.
Vaurioitunut valoreaktio I alkaa haihduttaa ylimääräistä viritysenergiaa ja lakkaa tuottamasta NADPH-molekyylejä, mikä on sen normaali tehtävä.
– Osoitimme, että tehtävän vaihtaminen on tapa suojata valoreaktiota laajemmalta vauriolta. Vaurio käynnistää reaktiosarjan, jossa valoenergian suunta kääntyy kohti vaurioituneita keskuksia. Tämä pienentää valoreaktio II:n vaurioitumisen riskiä ja vähentää elektronivirtaa valoreaktio I:tä kohti, mikä pysäyttää vaurion, Tikkanen kertoo Turun yliopiston tiedotteessa.
Fotosynteesissä valoreaktio II hapettaa veden elektroneiksi, vetyprotoneiksi ja hapeksi, kun taas valoreaktio I käyttää elektronit korkeaenergisen NADPH-varastomolekyylin tekemiseen. Fotoinhibitioksi kutsuttua vaurioitumista on pidetty kasville haitallisena reaktiona, jota pitää välttää. Sen on ajateltu esimerkiksi pienentävän viljelykasvien tuottavuutta.
– Aikaisemmin on ajateltu, että valoreaktio II ja valoreaktio I toimivat yhteistyössä muuttaessaan valoenergiaa kemialliseen muotoon. Uusi tutkimuksemme osoittaa, että valoreaktiot muodostavat toiminnallisen parin siten, että toisen vaurio suojaa toista laajemmalta vauriolta, Tikkanen toteaa.
Hänen mukaansa fotosynteesin valoreaktioiden roolien tunteminen on tärkeää fotosyteesikoneiston evoluution ymmärtämisen kannalta.
– Kun roolit tunnetaan, fotosynteesiä ei pyritä tehostamaan väärillä keinoilla. Uusi tieto auttaa näkemään keinotekoisen fotosynteesin kehittämisen tiellä olevat ongelmakohdat, Tikkanen kertoo.
Tutkimusartikkeli on julkaistu Nature Plants -tiedelehdessä.