Зимой световая энергия поглощается молекулами зеленого хлорофилла, но не может быть использована последующими реакциями фотосинтетического механизма, поскольку низкие температуры останавливают большинство биохимических реакций. Это особенно остро стоит в начале весны, когда температура все еще может быть очень низкой, но солнечный свет уже достаточно силен, а избыток световой энергии может повредить белки фотосинтетического механизма. Исследователи показали, что фотосинтетический аппарат устроен особым образом, благодаря чему хвоя сосны остается зеленой в течение всего года.
В нормальных условиях две фотосистемы, две функциональные единицы, в которых энергия света поглощается и преобразуется в химическую энергию, находятся отдельно друг от друга, чтобы предотвратить кратчайший путь и обеспечить эффективный фотосинтез.
Зимой структура тилакоидной мембраны, где расположены две фотосистемы, реорганизуется, что приводит к физическому контакту двух фотосистем. Исследователи показали, что фотосистема II отдает энергию непосредственно фотосистеме I, и этот сокращенный режим защищает зеленый хлорофилл и иглы, когда условия становятся суровыми.
«Мы наблюдали за несколькими соснами, растущими в Умео на севере Швеции в течение трех сезонов», – говорит Пушан Баг, аспирант Университета Умео, который собирал образцы круглый год и проводил множество анализов. «Было важно, чтобы мы могли работать с иглами« прямо с улицы », чтобы они не адаптировались к более высоким температурам в лабораторных условиях, прежде чем мы проанализируем их, например, с помощью электронной микроскопии, которую мы использовали для визуализации структуры тилакоидной мембраны."
На всех заводах есть предохранительные клапаны для борьбы с избыточной световой энергией, которая либо рассеивается в виде тепла, либо в виде флуоресцентного света.
Однако, похоже, только хвойные деревья имеют такие мощные клапаны, что они могут сохранить неповрежденный фотосинтетический аппарат в течение экстремальной северной зимы. Исследовательская группа объединила биохимию и сверхбыстрый флуоресцентный анализ, очень сложный метод, который может разрешить свет флуоресценции хлорофилла в пикосекундной временной шкале.
Таким образом они могли продемонстрировать, как хвоя сосны справляется с избыточной световой энергией, чтобы защитить свой чувствительный фотосинтетический аппарат от повреждений.
«Нам нужно было настроить оборудование для изучения хвои сосны при низких температурах, чтобы уловить уникальный механизм», – объясняет Ольга Чухуцина из Vrije Universiteit Amsterdam, которая выполнила большую часть сверхбыстрого флуоресцентного анализа. «Мы также пробовали еловые иглы, но они плохо вписывались в оборудование."
Альфред Хольцварт, который разработал измерения флуоресценции с временным разрешением, добавляет: «Хвоя сосны дала нам возможность изучить этот механизм сокращения – также называемый перетеканием – поскольку они действительно демонстрируют крайнюю адаптацию."
Исследование проводилось с соснами, но исследователи полагают, что механизм, вероятно, аналогичен для других видов хвойных пород – например, типичных рождественских елей и елей – потому что их фотосинтетический аппарат похож.
«Эта замечательная адаптация не только радует нас во время Рождества, но и чрезвычайно важна для человечества», – говорит профессор Стефан Янссон из Университета Умео. "Хадн´• хвойные деревья смогли выжить в экстремально суровых зимних климатах обширные территории в северном полушарии, возможно, не были заселены, поскольку хвойные деревья давали дрова, жилье и другие предметы первой необходимости. И сегодня они составляют основу экономики большей части приполярно-таежного региона."