Życie na naszej planecie zasilane jest niemalże wyłącznie docierającą do nas energią promieniowania słonecznego, a fotosynteza to proces, dzięki któremu ta energia niesiona przez światło jest zamieniana na formy, które mogą być bezpośrednio wykorzystywane przez żywe organizmy. Szacuje się, że do 2046 roku liczba ludzi zamieszkujących Ziemię wzrośnie do 9 miliardów, co stanowi ogromne wyzwanie w obszarze poszukiwania źródeł wyżywienia dla tak dynamicznie rosnącej populacji.
Wyzwanie to podejmowane jest w wielu centrach naukowych na świecie, ogniskujących swoją aktywność badawczą na poznaniu szczegółowych mechanizmów procesu fotosyntezy. Wydajność wiązania energii świetlnej zamienianej na biomasę nie przekracza bowiem kilku procent, a każde zwiększenie tej wartości przekłada się na nasz sukces w produkcji żywności. Jednym z kierunków aktywności naukowej jest wykorzystanie inżynierii genetycznej w celu uzyskania gatunków roślin maksymalnie wykorzystujących w procesie fotosyntezy pochłoniętą energię słoneczną, przy minimalnym jej rozpraszaniu do środowiska. Problemem okazuje się jednak, iż rozpraszanie termiczne energii stanowi jeden z ważnych mechanizmów regulacyjnych chroniących chloroplasty w liściach przed nadmiernym oświetleniem, prowadzącym do foto-degradacji, która może być porównana do pożaru.
Na szczęście, rośliny wypracowały na drodze ewolucji biologicznej alternatywne procesy regulacyjne, w tym ruchy chloroplastów w komórkach, które określić można jako ukierunkowane na poszukiwanie światła bądź ucieczkę przed jego nadmiarem. Rodzi się jednak dylemat, który sformułować można następująco: „Gasić pożar czy uciekać?”, czyli jakich wyborów dokonują chloroplasty w komórkach roślinnych w celu optymalizacji procesu fotosyntezy oraz obrony przed śmiercią spowodowaną zbyt intensywnym światłem.
Naukowcy z Katedry Biofizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, pracujący pod kierunkiem prof. Wiesława I. Gruszeckiego w ramach realizacji projektu badawczego MAESTRO finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki, postanowili „wczuć się w chloroplasty” i znaleźć odpowiedź na tak postawione pytanie. Badania prowadzone były we współpracy z partnerami z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie oraz Instytutu Agrofizyki Polskiej Akademii Nauk w Lublinie. Wobec licznych kontrowersji oraz sprzecznych doniesień w literaturze światowej dotyczących tego problemu, naukowcy polscy postanowili analizować aktywność obu tych mechanizmów jednocześnie.
Okazało się to możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanej techniki obrazowania mikroskopowego opierającego się na analizach czasów życia fluorescencji (FLIM, fluorescence lifetime imaging microscopy, ang.). Po zaabsorbowaniu światła, cząsteczki chlorofilu w chloroplastach przetrzymują uzyskaną w ten sposób energię przez czas rzędu wielkości miliardowych części sekundy, po czym emitują znaczną jej część w postaci fluorescencji. Okazuje się, że czasy te są znacząco krótsze, jeśli chloroplasty w ramach obrony przed foto-destrukcją wyrzucają uzyskaną energię do środowiska w formie ciepła. Technika FLIM umożliwia więc jednoczesną analizę mikroskopową poruszania się chloroplastów w komórkach (śledzenie ich ucieczki), jak i czasów życia fluorescencji będących miarą aktywności mechanizmu protekcyjnego gaszenia wzbudzeń nadmiarowych.
Uzyskane wyniki pokazały, iż dylemat chloroplastów „gasić czy uciekać?” rozwiązywany jest przez komórki roślinne w każdej chwili, na podstawie aktualnej, wewnątrz-chloroplastowej analizy intensywności światła. Odpowiedź uzależniona jest właśnie od intensywności światła, ale w znacznym jej zakresie opiera się na jednoczesnym wykorzystywaniu obydwu tych mechanizmów regulacyjnych: zmiany położenia chloroplastów w komórce oraz protekcyjne gaszenie energii wzbudzeń chlorofilu.
Wyniki badań ukazały się w artykule opublikowanym w ostatnim numerze renomowanego czasopisma specjalistycznego The Plant Journal (Zubik-Duda, M.et al. „The photoprotective dilemma of a chloroplast: to avoid high light or to quench the fire?” https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16221.
Publikacja pracy wyróżniona została dedykowanym artykułem wstępnym edytora (Kirschner, G., „Chloroplast photoprotection: face the light or run and hide?”) https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16340 oraz uhonorowana okładką czasopisma: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/tpj.15825.
Źródło: Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie