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植物如何避免吸收過量陽光

光合作用可以將太陽能轉換成維持生命所需的醣類,但如果吸收太多的陽光,過多的能量也可能破壞組織進而對植物產生傷害。植物可藉由光保護 (photoprotection) 機制以消耗多餘的能量,麻省理工學院(MIT)及維羅納大學(University of Verona)的研究人員首次揭露光保護機制的調控機制。
由於天氣時有陰晴,植物葉綠體膜上的蛋白質,需針對陽光變化的程度即刻做出反應。在行光合作用時,這些蛋白質如光捕捉複合物 (light-harvesting complexs)會透過葉綠素將光能以光子的方式吸收。光子便可驅使一系列反應產生醣,將能量儲存下來供後續使用。大部分植物所吸收的太陽光遠超過實際所需,在陽光充足的情況下,僅有30%的光被轉化成醣,其餘都以熱的形式釋放。如果植物細胞內留存過多的能量,將會產生自由基等有害分子進而對細胞組織產生傷害。在綠藻與苔蘚中有一種特殊的光捕捉複合物 (light-harvesting complex stress-related 1, LHCSR1) 可在短時間內扮演光保護角色。其主要位於葉綠體(chloroplast)膜上,跟葉綠素和類胡蘿蔔素(carotenoid)產生交互作用。然而,先前對於此種光保護機制的運作所知甚少。
研究人員利用超高感度的顯微鏡分析LHCSR1在各種光照條件下的變化模式,並根據其功能歸納出三種不同結構。當多雲或陰天時,LHCSR1僅單純吸收光子,將能量傳遞至後續的光合作用中。而當太陽出來,吸收的能量逐漸增加時,由於光合作用水解反應所產生的大量氫離子會導致pH值下降,LHCSR1此時會變化為剛性結構,將過多的光能轉變成熱能,此一結構變化的過程僅需數秒鐘的時間。光保護機制亦可透過其他的回饋機制(feedback mechanism),藉由控制pH值而逐漸開啟。pH值下降會活化酵素進而改變類胡蘿蔔素的分子組成,影響其與LHCSR1的交互作用,更有助於穩定其光保護狀態。研究人員表示:光保護機制可以透過生物體內的回饋機制所調控,短時間內靠pH值的變化,長時間的話則藉由改變分子組成進行控制。隨著我們對於植物的調控機制了解更多,便有機會能夠藉由提升植物的光合作用效率,進而增加各種農作物的生質物(biomass)產量。

更新日期 : 2017/10/18