Molekulare Vielfalt und Entwicklung der Photosynthese von Fernrotlicht

Eine gemeinsame Studie unter der Leitung von Dr. Christopher Gisriel von der Yale University und Dr. Tanai Cardona von der Queen Mary University of London, veröffentlicht In Grenzen der Pflanzenwissenschaftbietet neue Einblicke in den Ursprung und die Entwicklung einer einzigartigen Art der Photosynthese, die es einigen Bakterien, insbesondere Cyanobakterien, ermöglicht, tiefrotes Licht zu nutzen.

Fernrotes Licht, das zwischen 700 und 800 Nanometer (nm) liegt und für das menschliche Auge kaum sichtbar ist, liegt außerhalb des normalerweise für die Photosynthese verwendeten Bereichs, da es eine geringere Energie enthält als der standardmäßige sichtbare Bereich zwischen Blau und Rot (400 bis 700 nm). ). Die Erkenntnisse der Studie über die Fähigkeit von Cyanobakterien, tiefrotes Licht zu nutzen, sind wichtig, da sie konzeptionelle Rahmenbedingungen für die Entwicklung verbesserter Pflanzen mit erweiterten Lichtabsorptionsfähigkeiten für Anwendungen in der Biotechnologie und Landwirtschaft liefern könnten.

Die Ergebnisse der Studie werfen nicht nur Licht auf die evolutionäre Reise der Far-Red-Photosynthese, sondern haben auch tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis des Lebens im Kosmos. M-Zwergsterne, die häufigste Sternart im Universum, strahlen weitaus mehr fernrotes Licht als sichtbares Licht aus, was sie zu potenziellen Zufluchtsorten für die dunkelrote Photosynthese macht. Wenn auf Planeten, die diese Sterne umkreisen, Leben gedeihen kann, könnte dies die Grenzen unserer Suche nach außerirdischem Leben erweitern.

Die Analyse der Forscher zeigt, dass sich die Fähigkeit, tiefrotes Licht zu nutzen, in zwei unterschiedlichen Phasen entwickelte. In einem frühen Stadium entwickelten Cyanobakterien ein neues Pigment, Chlorophyll f, und ermöglichten es dem Photosystem damit erstmals, tiefrotes Licht zu sammeln. Darüber hinaus entwickelten sie ein modifiziertes Photosystem, das dieses Pigment nutzen konnte, um die Sauerstofffreisetzungsreaktion nur mit dem energieärmeren roten Licht anzutreiben. Dieses Stadium trat möglicherweise bei den Urformen der Cyanobakterien auf und könnte bereits vor 3 Milliarden Jahren begonnen haben.

Das späte Stadium, das vor etwa 2 Milliarden Jahren stattfand, optimierte die Fähigkeit, fernrotes Licht zu sammeln, weiter, indem ein zweites modifiziertes Photosystem entwickelt wurde, das an kritischen Stellen Chlorophyll f einbaute. Diese Phase fiel mit der Diversifizierung der Cyanobakterien in die heute existierenden Abstammungslinien zusammen.

Bezeichnenderweise fand die Studie auch Hinweise darauf, dass ein Cyanobakterium durch horizontalen Gentransfer Photosynthese mit dunkelrotem Licht erreichen kann. Diese Entdeckung weist darauf hin, dass das komplexe Merkmal lebensfähig in einen photosynthetischen Organismus eingeführt werden könnte, der zuvor nicht an die Verwendung von fernrotem Licht angepasst war.

Die Forschung unterstreicht die komplexe und anpassungsfähige Natur photosynthetischer Systeme und eröffnet neue Horizonte für das Verständnis, wie sich Organismen entwickeln, um Energie unter wechselnden Umweltbedingungen effizient zu nutzen. Die Studie legt auch den Grundstein für zukünftige Untersuchungen zur Optimierung der Lichtnutzung in der Biotechnologie und Landwirtschaft, die bei nicht idealen Lichtbedingungen zu Algenbefall oder Ernteverbesserungen führen könnten.