Havupuumetsissä tapahtuva yhteyttäminen eli fotosynteesi on eräs globaalisti tärkeimmistä hiilinieluista. Toisin kuin lehtipuut, havupuut ovat ikivihreitä säilyttäen fotosynteesirakenteensa ympäri vuoden. Etenkin kevättalvella alhaisten lämpötilojen ja kirkkaan valon yhdistelmä altistaa neulaset oksidatiiviselle stressille, joka saattaisi johtaa fotosynteesikoneiston molekyylien ja solurakenteiden tuhoutumiseen. Turun yliopiston tutkijat löysivät kuusesta aiemmin tuntemattoman molekyylitason mekanismin, joka mahdollistaa puiden sopeutumisen talveen.
Kevättalvella lämpötilat ovat tyypillisesti pakkasen puolella, mutta aurinko paistaa jo hyvin kirkkaasti. Tämä yhdistelmä on erityisen vaarallinen ikivihreille kasveille, kuten havupuille. Niiden neulasten lehtivihreä eli klorofylli sitoo valoa, mutta kylmyyden vuoksi pysähdyksissä oleva entsyymiaktiivisuus estää valon käyttämisen fotosynteesiin. Tämä altistaa solut vaurioille.
Ylimääräisen valoenergian haihduttaminen lämpönä, eli niin kutsuttu ei-valokemiallinen vaimeneminen (non-photochemical quenching, NPQ), on kaikilla yhteyttävillä kasveilla ja levillä yleinen, nopea ja dynaaminen, mutta hetkellinen säätelymekanismi, jonka avulla ne pystyvät välttämään valon aiheuttamia vaurioita. Havupuilla kylmän sään ja kirkkaan valon yhdistelmässä ei-valokemiallinen vaimeneminen on kuitenkin pysyvää.
Turun yliopiston tutkijat ovat nyt löytäneet mekanismin, jolla ikivihreät saavat aikaan pysyvän ei-valokemiallisen energian vaimentamisen. Tutkimuslöydös on merkittävä, sillä kyseistä mekanismia ei ole aikaisemmin tunnettu.
– Keräsimme luonnosta neulasnäytteitä ja käsittelimme myös kuusen oksia keinotekoisissa, kevättalvea matkivissa olosuhteissa. Biofysikaalisten ja molekyylibiologisten analyysiemme perusteella osoitimme, että pysyvään ei-valokemialliseen vaimenemiseen vaaditaan viherhiukkasten kahden membraaniproteiinin, LHCB1_A:n ja PSBS:n, superfosforyloituminen, kertovat väitöskirjatutkija Steffen Grebe ja tutkijatohtori Andrea Trotta Turun yliopiston biokemian laitoksen molekulaarisen kasvibiologian osastolta.
Proteiinin fosforyloituminen tarkoittaa, että sen tiettyihin aminohappoihin liitetään fosforyyliryhmä. Sen tiedetään olevan soluissa yleinen mekanismi proteiinien toiminnan säätelemiseen. Kuusesta nyt löydettyjä proteiinien fosforylaatioita ei ole aiemmin kuvattu.
Tutkijat arvelevat, että yhdessä valoreaktio II -nimisen entsyymikompleksin toimintamuutosten kanssa kyseiset fosforylaatiot aikaansaavat proteiinien ja pigmenttien rakenteellisia muutoksia, joiden perusteella neulaset pystyvät tehokkaasti vaimentamaan sitomaansa ylimääräistä valoenergiaa.
Kuusen genomitiedon saatavuus mahdollistaa uudenlaisen tutkimuksen
Fotosynteesin molekyylitason säätelymekanismeja on aiemmin tutkittu pääasiassa nopeasti kasvavilta kasvibiologin mallilajeilta, kuten lituruoholta ja Chlamydomonas reinhardtii -nimiseltä levältä. Näiden avulla ei kuitenkaan ole ollut mahdollista tutkia kylmään ilmastoon sopeutumista. Havupuiden molekyylibiologinen tutkimus mahdollistui vuonna 2013 julkaistun kuusen genomin kartoituksen julkaisemisen jälkeen.
– Kuusen genomi on kooltaan noin kymmenen kertaa suurempi kuin ihmisen. Pitkäaikaisen yhteistyökumppanimme, Uumajan yliopiston professori Stefan Janssonin johdolla tehty kuusen genomikartoitus mahdollisti nyt Turussa tekemämme molekyylibiologisen fotosynteesitutkimuksen, kertoo tutkimusryhmää johtava akateemikko Eva-Mari Aro.
Tutkimuksessa saatua tietoa havupuiden ympäristösopeutumista voidaan hyödyntää arvioidessa ilmastonmuutoksen vaikutuksia havupuiden fotosynteesiin ja siten hiilensidontakapasiteettiin.
Tutkimus julkaistiin heinäkuussa arvovaltaisessa julkaisusarjassa Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: https://doi.org/10.1073/pnas.2004165117
Tiedeuutisia Turun yliopistosta
Tue tiedettä ja tutkimusta
Teksti: Marjaana Suorsa
