معلومة

هل تقوم جميع النباتات بعملية التمثيل الضوئي بكفاءة متساوية؟


فقط ما ينص عليه العنوان.

بالنظر إلى ظروف متطابقة وضرورية ومواتية (ربما تكون العناصر الغذائية والرطوبة والضوء ولكن ما أعنيه هو كل شيء من الضروري تم استيفاء المتطلبات) - هل التمثيل الضوئي فعال بنفس القدر من حيث كمية السكر / الكربوهيدرات التي تولدها جميع النباتات / الأشجار ، أم أن بعض النباتات / الأشجار أكثر مهارة في ذلك؟

خلفيتي في علم الأحياء / علم النبات هي المدرسة الثانوية ، لذلك قد تكون قائمة المتطلبات الضرورية الخاصة بي غير متوفرة والتي أتوق إليها


إذا كنت تقصد الكفاءة التي تقوم بها النباتات بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية (في السكر أو غيره من مركبات الكربون المختزلة) ، فهناك بالتأكيد تباين بين النباتات ، على مستوى الأنواع والمستوى الفردي. تعطي صفحة WP الخاصة بكفاءة التمثيل الضوئي نطاقات تتراوح بين 0.1 و 8٪ من إجمالي الإشعاع الشمسي المحول إلى "كتلة حيوية" ، ولكن لم يتم الاستشهاد بهذه القيم. في مراجعتهم ، ذكر (Zhu et al ، 2008) أن الحد الأقصى للكفاءة التي يمكن من خلالها لعملية التمثيل الضوئي تحويل الطاقة الشمسية إلى كتلة حيوية هي 3.5٪ و 4.3٪ لمحطات C3 و C4 (كلاهما لوحظ بالنسبة للمحاصيل) ، على التوالي. الكتلة الحيوية ليست مقياسًا للطاقة ، لكنها ربما تعني الطاقة الكيميائية الكامنة في تلك الكتلة الحيوية.

انه سؤال معقد جدا بالرغم من ذلك التمثيل الضوئي هو عملية معقدة تنطوي على العديد من التفاعلات الكيميائية والعمليات الفيزيائية المترابطة. جميع الأنواع (أو حتى الأفراد) من النباتات لها أشكال مختلفة ، وعلم وظائف الأعضاء ، والكيمياء الحيوية التي تؤثر على كفاءة التمثيل الضوئي بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك ، يسكن كل منهم في منافذ بيئية مختلفة ومساحة مناخية. لذلك ، سيكون لجميع الأنواع أو الأفراد حد أقصى فريد من الكفاءة المحتملة. فيما يلي بعض المفاهيم الأخرى المتعلقة بالكفاءة التي يجب مراعاتها:

يوجد نظامان في التمثيل الضوئي يعملان جنبًا إلى جنب ، تفاعل الضوء والتفاعل المظلم. يستخدم تفاعل الضوء الطاقة الضوئية والأصباغ مثل الكلوروفيل ومجموعة من بروتينات سلسلة نقل الإلكترون لتوليد ATP و NADPH. يوفر هذان الجزيئان بعد ذلك قوة الاختزال لاستخدامها في التفاعل المظلم (دورة كالفين). في رد الفعل المظلم ، ينضم إنزيم RuBisCO إلى CO2 و RuBP ، التي تُنشئ سلاسل كربونية مختزلة بسيطة تُستخدم بعد ذلك لتجميع السكريات. هذا تبسيط مفرط ، لأن كلا التفاعلين عبارة عن أنظمة معقدة للغاية بها الكثير من الآلات الكيميائية الحيوية ، ولكن هذه هي العملية الأساسية المستخدمة لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. للعمل بأقصى كفاءة ، يجب ألا تكون العملية بأكملها مقيدة بالطاقة الواردة (الضوء) ، وإمداد الركيزة (CO2، RuBP) ، أو العناصر الغذائية المستخدمة لبناء جميع الآلات الخلوية والجزيئية اللازمة (N ، P ، K ، وغيرها الكثير). في الواقع ، هناك حدود تختلف من نبات لآخر ، من الأنواع إلى الأنواع. على سبيل المثال ، فإن نوعًا أو فردًا بسطح ورقة عاكس للغاية يحول القليل من الضوء الذي يصل إلى سطح الورقة إلى طاقة كيميائية ، وبالتالي يقلل من ناتج ATP و NADPH. هذا يقلل من الطاقة الكيميائية التي يتم توفيرها للتفاعل المظلم ويحد من كمية الكربون التي تحددها RuBisCO. لذا فإن السطح العاكس للورقة ، والذي قد يكون مفيدًا للنبات بطرق أخرى ، له تأثير كبير على كفاءة التمثيل الضوئي الكلية (مقارنة بأوراق أو أوراق عاكسة أقل).

إذا كنت ترغب في البحث عن مزيد من المعلومات ، فهناك عدد من المصطلحات التي يستخدمها علماء فسيولوجيا النبات وعلماء البيئة عند وصف كفاءة التمثيل الضوئي للنبات (أو مجتمعات النباتات). يتم استخدام كل منها بطرق مختلفة ويمكن أن يكون لها العديد من الاختلافات في الوحدات.

  • كفاءة استخدام الضوء: مقدار الكربون الثابت لكل وحدة ضوء ساقط.
  • كفاءة استخدام المياه: كمية الكربون الثابتة لكل وحدة ماء رشح
  • كفاءة استخدام المغذيات: كمية الكربون الثابتة لكل وحدة من تركيز المغذيات (عادة في الأوراق).

المرجعي:

Zhu و Ort و Long 2008 "ما هو الحد الأقصى للكفاءة التي يمكن من خلالها لعملية التمثيل الضوئي تحويل الطاقة الشمسية إلى كتلة حيوية؟" الرأي الحالي في التكنولوجيا الحيوية.


ملخص

يتزايد عدد البشر على الأرض ، مما يولد مخاوف بشأن الأمن الغذائي ويحفز الجهود في جميع أنحاء العالم لزيادة إنتاجية المحاصيل. إذا أمكن إيجاد طريقة لزيادة غلة المحاصيل بنسبة 20٪ على سبيل المثال ، فسيكون لذلك تأثير هائل على الإمدادات الغذائية العالمية. لحسن الحظ ، فإن التطور قد صاغ بالفعل مثل هذه الآلية ، والمعروفة باسم C4 البناء الضوئي. سي4 Pathway هو في الواقع شاحن توربيني لـ C الأكثر تقليدية3 مسار. تمامًا كما يعمل الشاحن التوربيني على تحسين أداء المحرك عن طريق دفع المزيد من الهواء إلى المشعب ، C4 يحسن أداء التمثيل الضوئي عن طريق إجبار ثاني أكسيد الكربون2 في المعيار C3 جهاز التمثيل الضوئي. الكفاءة المضافة لهذه الآلية واضحة على المستوى العالمي. فقط حوالي 3 ٪ من أنواع النباتات المزهرة تستخدم C4 المسار ، ولكن هذه القلة النسبية من الأنواع تمثل 23٪ من الكربون الثابت (الإنتاجية الأولية) في العالم. يحدث المسار في العديد من المحاصيل الرئيسية في العالم ، ولا سيما الذرة (الذرة) والذرة الرفيعة ، وفي العديد من الأنواع المستخدمة كوقود حيوي ، والأهم من ذلك قصب السكر ، كل هذه الأعشاب في عائلة Poaceae. إذا كان ج3 يمكن تربية محصول مثل الأرز لاستخدام C4 المسار ، فإن الأثر الاقتصادي سيكون هائلا.


كاشف الظل لكفاءة التمثيل الضوئي

تتحمل النباتات اختلافات كبيرة في شدة بيئة الضوء من خلال التحكم في كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية. للقيام بذلك ، تمتلك النباتات آلية لاكتشاف شدة الضوء ومدته وتغيره أثناء تجربة الظلال المتحركة والضوء الوامض والغطاء السحابي. السكريات هي المنتجات الأساسية لثاني أكسيد الكربون2 التثبيت ، وهو مسار أيضي يكون معدله محدودًا بتحويل الطاقة الشمسية. نقترح أن السكر هو إشارة ترميز المعلومات حول الكثافة والمدة والتغيير في بيئة الضوء. لقد أظهرنا سابقًا أن مركب البروتين G غير المتجانس في Arabidopsis بما في ذلك منظمه الشبيه بالمستقبل لبروتين الإشارة G ، AtRGS1 ، يكتشف كلاً من تركيز السكريات ووقت تعرضها (Fu et al. ، 2014. Cell 156: 1084-1095). هذه الخاصية الفريدة ، المعاملة بالمثل لمدة الجرعة المحددة ، هي سلوك ينشأ من بنية النظام / عزر النظام. هنا ، نوضح أن خاصية أخرى لنظام الإشارات هي اكتشاف التغيرات الكبيرة في الضوء بينما في نفس الوقت ، ترشيح أنواع التقلبات في الضوء التي لا تؤثر على كفاءة التمثيل الضوئي. عندما يتم استئصال AtRGS1 وراثيًا ، تقل كفاءة التمثيل الضوئي في بيئة متغيرة ولكنها ليست ذات إضاءة ثابتة. كشفت النمذجة الرياضية أن المعلومات حول التغييرات في بيئة الضوء مشفرة بكمية AtRGS1 الحرة التي تصبح مجزأة بعد التحفيز. نقترح أن تحدد هذه الخاصية متى يتم ضبط كفاءة التمثيل الضوئي في بيئة تتغير فيها شدة الضوء بشكل مفاجئ بسبب تحرك الظلال فوق خلفية من الضوء تتغير تدريجيًا من شروق الشمس إلى غروب الشمس والضوء المتقلب مثل ذلك الناتج عن ترفرف الأوراق.

الكلمات الدالة: التحام غير المتجانسة لبروتين G كفاءة التمثيل الضوئي منظم G كاشف الظل WNK كيناز.

حقوق النشر © 2016 Elsevier Ltd. جميع الحقوق محفوظة.

الأرقام

الشكل 1. شبكة التحسس الضوئي للجلوكوز في ...

الشكل 1. شبكة التحسس الضوئي للجلوكوز للنموذج والكفاءة النسبية لعملية التمثيل الضوئي والتبريد غير الكيميائي ...

الشكل 2. ديناميات كل تغيير ...

الشكل 2. ديناميات جميع أجهزة الكشف عن التغيير لنبضة إضاءة واحدة و ...

الشكل 3. ديناميات التغيير ...

الشكل 3. ديناميات كاشفات التغيير لـ WT في الظروف الطبيعية


تشرح ميكانيكا الكم كفاءة التمثيل الضوئي

الخلايا النباتية ذات البلاستيدات الخضراء المرئية (من الطحلب ، Plagiomnium affine) Credit: Wikipedia

تنقل الجزيئات الضخمة التي تجمع الضوء في الخلايا النباتية الطاقة من خلال الاستفادة من الاهتزازات الجزيئية التي لا تحتوي أوصافها الفيزيائية على ما يعادلها في الفيزياء الكلاسيكية ، وفقًا لأول دليل نظري لا لبس فيه على التأثيرات الكمومية في عملية التمثيل الضوئي المنشورة اليوم في المجلة. اتصالات الطبيعة.

تتكون غالبية الجزيئات الضخمة التي تجمع الضوء من الكروموفورات (المسؤولة عن لون الجزيئات) المرتبطة بالبروتينات ، والتي تقوم بالخطوة الأولى من عملية التمثيل الضوئي ، والتقاط أشعة الشمس ونقل الطاقة المرتبطة بكفاءة عالية. تشير التجارب السابقة إلى أن الطاقة يتم نقلها بطريقة تشبه الموجة ، مستغلة الظواهر الكمومية ، ولكن بشكل حاسم ، لا يمكن إثبات التفسير غير الكلاسيكي بشكل قاطع لأن الظواهر المحددة يمكن وصفها بنفس القدر باستخدام الفيزياء الكلاسيكية.

في كثير من الأحيان ، من أجل مراقبة الظواهر الميكانيكية الكمومية أو استغلالها ، يجب تبريد الأنظمة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. ومع ذلك ، لا يبدو أن هذا هو الحال في بعض الأنظمة البيولوجية ، التي تعرض خصائص كمومية حتى في درجات الحرارة المحيطة.

الآن ، حاول فريق في UCL تحديد الميزات في هذه الأنظمة البيولوجية التي لا يمكن التنبؤ بها إلا عن طريق فيزياء الكم ، والتي لا توجد لها نظائر كلاسيكية.

قال أليكساندا أولايا كاسترو (الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس) ، المشرف والمؤلف المشارك في البحث: "يتم دعم نقل الطاقة في الجزيئات الضخمة التي تحصد الضوء من خلال حركات اهتزازية محددة من الكروموفورات". "لقد وجدنا أن خصائص بعض اهتزازات الكروموفور التي تساعد على نقل الطاقة أثناء عملية التمثيل الضوئي لا يمكن وصفها أبدًا بالقوانين الكلاسيكية ، وعلاوة على ذلك ، فإن هذا السلوك غير الكلاسيكي يعزز كفاءة نقل الطاقة."

الاهتزازات الجزيئية هي حركات دورية للذرات في الجزيء ، مثل حركة كتلة مرتبطة بنابض. عندما تتطابق طاقة الاهتزاز الجماعي لكروموفور مع فرق الطاقة بين التحولات الإلكترونية لهذه الكروموفور ، يحدث صدى ويحدث تبادل فعال للطاقة بين درجات الحرية الإلكترونية والاهتزازية.

بشرط أن تكون الطاقة المرتبطة بالاهتزاز أعلى من مقياس درجة الحرارة ، يتم تبادل وحدة منفصلة أو كمية من الطاقة فقط. وبالتالي ، عندما يتم نقل الطاقة من حامل كروم إلى آخر ، فإن الاهتزاز الجماعي يعرض خصائص ليس لها نظير كلاسيكي.

وجد فريق UCL أن التوقيع الذي لا لبس فيه على غير الكلاسيكية يُعطى من خلال احتمال مشترك سلبي لإيجاد حاملات صبغيات ذات مواضع وعزم نسبية معينة. في الفيزياء الكلاسيكية ، تكون توزيعات الاحتمالات إيجابية دائمًا.

أوضح إدوارد أورايلي (UCL Physics & Astronomy) ، المؤلف الأول للدراسة ، أن "القيم السلبية في هذه التوزيعات الاحتمالية هي مظهر من مظاهر ميزة كمومية حقيقية ، أي التبادل المتماسك لكمية واحدة من الطاقة". "عندما يحدث هذا ، تكون درجات الحرية الإلكترونية والاهتزازية مشتركة وعابرة في تراكب الحالات الكمومية ، وهي ميزة لا يمكن توقعها أبدًا مع الفيزياء الكلاسيكية."

العمليات الجزيئية الحيوية الأخرى مثل نقل الإلكترونات داخل الجزيئات الكبيرة (كما هو الحال في مراكز التفاعل في أنظمة التمثيل الضوئي) ، والتغيير الهيكلي للحامل الصبغي عند امتصاص الفوتونات (كما هو الحال في عمليات الرؤية) أو التعرف على جزيء من قبل آخر (كما هو الحال في عمليات الشم ) ، تتأثر بحركات اهتزازية محددة. لذلك تشير نتائج هذا البحث إلى أن الفحص الدقيق لديناميات الاهتزازات المشاركة في هذه العمليات يمكن أن يوفر نماذج بيولوجية أخرى تستغل ظواهر غير كلاسيكية حقًا.


بحوث التمثيل الضوئي في علوم النبات

التمثيل الضوئي هو عملية منظمة للغاية ومتعددة الخطوات. يشمل حصاد الطاقة الشمسية ، ونقل طاقة الإثارة ، وتحويل الطاقة ، ونقل الإلكترون من الماء إلى NADP + ، وتوليد ATP وسلسلة من التفاعلات الأنزيمية التي تمتص ثاني أكسيد الكربون وتوليف الكربوهيدرات.

يحتل التمثيل الضوئي مكانًا فريدًا في تاريخ علم النبات ، حيث تم تأسيس مفاهيمه المركزية بحلول منتصف القرن الماضي ، ومنذ ذلك الحين تم توضيح الآليات التفصيلية. على سبيل المثال ، أدت قياسات كفاءة التمثيل الضوئي (المحصول الكمي) عند أطوال موجية مختلفة من الضوء (Emerson and Lews 1943) إلى إدراك أن شكلين متميزين من Chl يجب أن يكونا متحمسان في عملية التمثيل الضوئي الأكسجينى. اقترحت هذه النتائج مفهوم نظامين كيميائيين ضوئيين. تم العثور على أصباغ مركز تفاعل PSII و PSI (P680 و P700 ، على التوالي) من خلال دراسة التغيرات في امتصاص الضوء في المنطقة الحمراء (Kok 1959 ، Döring et al. 1969). تم اقتراح Chls ذات الحد الأقصى للامتصاصية المقابلة لهذه الأطوال الموجية المحددة كمغسلة ضوء نهائية. تم عرض هذه الخلايا الكلوية (Chls) لدفع عملية نقل الإلكترون عن طريق فصل الشحنة. ارتباط نقل الإلكترون وثاني أكسيد الكربون2 تم اقتراح الاستيعاب من خلال الدراسات التي أجريت على مؤكسد هيل (Hill 1937). تم اقتراح نظام نقل إلكتروني خطي مع تفاعلين مدفوعين بالضوء (مخطط Z) بناءً على ملاحظات حالة الأكسدة والاختزال في السيتوكرومات (Hill and Bendall 1960 ، Duysens et al. 1961) ، وتم العثور على الفسفرة الضوئية لتكون مرتبطة بشظايا الثايلاكويد ( أرنون وآخرون 1954). المسار الأيضي الذي يمتص الكربون عن طريق تثبيت ثاني أكسيد الكربون2 تم اكتشافه بواسطة مجموعة كالفن التي استخدمت 14 ثاني أكسيد الكربون2 المتتبعات المشعة في الخمسينيات (باشام وكالفن 1957). كان هذا أول اكتشاف مهم في الكيمياء الحيوية يتم باستخدام أدوات التتبع المشعة. رد الفعل الأولي لثاني أكسيد الكربون2 يتم تحفيز التثبيت بواسطة Rubisco (Weissbach et al. 1956) ، والذي أطلق عليه في البداية بروتين Fraction 1 (Wildman and Bonner 1947). Rubisco هو البروتين الأكثر وفرة في العالم ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنه أيضًا أكثر البروتينات فاعلية مع أدنى معدل دوران محفز (1-3 ثوانٍ -1). ثاني أكسيد الكربون آخر2 تم العثور على مسار التثبيت في قصب السكر (Kortschak et al. 1964 ، Hatch and Slack 1965) واسمه C4 البناء الضوئي.

على الرغم من أن التمثيل الضوئي يلعب دورًا رئيسيًا في استقلاب الطاقة في النباتات ، إلا أنه تاريخياً لم تكن هناك تفاعلات قوية بين أبحاث التركيب الضوئي وغيرها من مجالات علوم النبات. لم يتم استخدام العديد من التقنيات والأدوات التي تم تطويرها لأبحاث التمثيل الضوئي على نطاق واسع في مجالات أخرى لأنها تم تطويرها لفحص الظواهر الفريدة لعملية التمثيل الضوئي. على سبيل المثال ، يعد نقل طاقة الإثارة وفصل الشحنات عمليات أساسية وفريدة من نوعها لعملية التمثيل الضوئي. سبب آخر للعزلة التاريخية لأبحاث التمثيل الضوئي في علم النبات هو أنه كان يعتقد منذ فترة طويلة أن ثاني أكسيد الكربون2 التثبيت وإنتاج الكربوهيدرات هما الوظيفة الوحيدة لعملية التمثيل الضوئي ، حيث تمثل الكربوهيدرات الرابط الوحيد بين التمثيل الضوئي والظواهر البيولوجية الأخرى.

ومع ذلك ، فقد بدأ هذا الوضع يتغير. كشفت الأبحاث الحديثة أن التمثيل الضوئي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمجموعة متنوعة من العمليات الفسيولوجية الأخرى. إنه نظام رئيسي للتحكم في حالة الأكسدة والاختزال للخلايا ، ويلعب دورًا مهمًا في تنظيم نشاط الإنزيم والعديد من العمليات الخلوية الأخرى (Buchanan and Balmer 2005، Hisabori et al.2007). يولد التمثيل الضوئي أيضًا أنواعًا من الأكسجين التفاعلي ، والتي يتم تقديرها الآن على أنها عوامل تنظيمية للعديد من العمليات البيولوجية بدلاً من المنتجات الثانوية الحتمية لعملية التمثيل الضوئي (Wagner et al. 2004 ، Beck 2005). جزيئات السلائف من Chl ، والتي تعتبر مكونًا رئيسيًا لعملية التمثيل الضوئي ، تعمل كإشارة مشتقة من البلاستيدات الخضراء ، وتشارك في تنظيم دورة الخلية (كوباياشي وآخرون ، 2009). في ضوء هذه المعلومات الجديدة ، يبدو من المهم إعادة تقييم الوظيفة (الوظائف) ، المحتملة والمثبتة ، لعملية التمثيل الضوئي من مجموعة متنوعة من وجهات النظر. تستخدم أبحاث التركيب الضوئي الآن أساليب وأدوات البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة ، وهي طرق مركزية لعلوم النبات بشكل عام. وفي الوقت نفسه ، يتم الآن استخدام قياسات كل من مضان الكلور ومقاييس تبادل الغازات ، التي تم تطويرها خصيصًا لأبحاث التركيب الضوئي ، على نطاق واسع في بيولوجيا الإجهاد والبيئة.

تساهم أبحاث التركيب الضوئي أيضًا في فهمنا للظواهر البيئية وحتى البيئات العالمية (Farquhar et al. 1980، de Pury and Farquhar 1997، Monsi and Saeki 2005). في الواقع ، أصبح التمثيل الضوئي الآن جزءًا لا يتجزأ من نماذج المحاكاة المستخدمة للتنبؤ بمستقبل كوكبنا. لطالما اعتُبر تحسين كفاءة التمثيل الضوئي عن طريق التعديل الاصطناعي لبروتينات ومسارات التمثيل الضوئي مستحيلًا أو في أفضل الأحوال إشكاليًا ، لأنه بمرور الوقت التطوري ، أصبح التمثيل الضوئي معقدًا ومنظمًا بإحكام. ومع ذلك ، فإن التطورات الحديثة جعلت من الممكن معالجة التمثيل الضوئي باستخدام التكنولوجيا الوراثية الجزيئية (Andrews and Whiney 2003 ، Raines 2006). قد يكون لهذه التطورات تأثيرات إيجابية على إنتاجية المحاصيل (باري وآخرون 2007) حيث أن معدلات التمثيل الضوئي كثيرًا ما ارتبطت بتراكم الكتلة الحيوية (كروجر وفولين 2006). وبالتالي ، يمكننا أن نتوقع إضافة العديد من المفاهيم الجديدة إلى تاريخ أبحاث التمثيل الضوئي.

نظرًا لأن أبحاث التركيب الضوئي تتصدى لتحديات جديدة ، يجب أن نواصل أيضًا إعادة تقييم الأبحاث السابقة. يعد تطور الأكسجين وتبديد الطاقة ونقل الإلكترون الدوري عمليات حاسمة أثناء عملية التمثيل الضوئي ، ومع ذلك لا تزال آلياتها بحاجة إلى التوضيح. لدينا معرفة محدودة جدًا بتكوين وتدهور جهاز التمثيل الضوئي. أيضًا ، على الرغم من أن التمثيل الضوئي يلعب دورًا رئيسيًا في استقلاب C و N في النباتات ، إلا أننا لا نفهم بعد كيف يرتبط التمثيل الضوئي المحتمل بإنتاجية المحاصيل.

فسيولوجيا النبات والخلية ترغب في المساهمة في تطوير مفاهيم جديدة ، وريادة مجالات جديدة وحل أسئلة التمثيل الضوئي التي لم تتم الإجابة عليها. يغطي هذا العدد الخاص مجموعة واسعة من الموضوعات في أبحاث التمثيل الضوئي. Terashima et al. (ص 684 - 697) أعاد تناول السؤال المبهم حول لماذا الأوراق خضراء. لقد أظهروا أن المظهر الجانبي للضوء من خلال الورقة أكثر انحدارًا من التمثيل الضوئي ، وأن الأطوال الموجية الخضراء في الضوء الأبيض أكثر فاعلية في عملية التمثيل الضوئي من الضوء الأحمر. يقترح إيفانز (ص 698-706) نموذجًا جديدًا باستخدام مضان Chl لاستكشاف التعديلات في العائد الكمي بعمق الورقة. يمكن تطبيق هذا النموذج الجديد متعدد الطبقات لدراسة الاختلافات في ملامح امتصاص الضوء ، وقدرة التمثيل الضوئي وحساب ثاني أكسيد الكربون البلاستيكي.2 التركيز على أعماق مختلفة من خلال الورقة.

الأكسجين الأحادي ، 1 س2، يتم إنتاجه عن طريق نظام ضوئي وأصباغ كلوريد الصوديوم. 1 س2 لا يسبب ضررًا فسيولوجيًا فحسب ، بل ينشط أيضًا برامج الاستجابة للتوتر. ال أنفلونزا متحولة نبات الأرابيدوبسيس thaliana يتراكم بشكل مفرط البروتوكلوروفيل الذي يولد الأكسجين المفرد عند الإضاءة ، مما يتسبب في توقف النمو وموت الخلايا. كول وآخرون. (ص 707-718) لديها طفرات مثبطة معزولة ، يطلق عليها اسم "منشط الموت المرتبط بالأكسجين المفرد" (سولدات) ، والذي يلغي على وجه التحديد 1 O2استجابات الإجهاد بوساطة في الشباب أنفلونزا الشتلات ، ويناقشون عمليات التأقلم مع الضغوط. فيفوربيد أ هو منتج تحلل لـ Chl وهو أحد أقوى جزيئات التحسس الضوئي. المسوخ معيب في pheophorbide أ أوكسيجيناز ، الذي يحول الفوسفوربيد أ لفتح رباعي بيرول ، تتراكم pheophorbide أ وعرض موت الخلية بطريقة تعتمد على الضوء. هيراشيما وآخرون. (ص 719-729) تفيد بأن pheophorbide أ متورط في موت الخلية المستقل عن الضوء.

تنظم النباتات مستوى الأكسدة والاختزال في تجمع البلاستوكينون استجابةً لبيئة الضوء. في حالة التأقلم مع ظروف الإضاءة العالية ، يتم الاحتفاظ بمستوى الأكسدة والاختزال في حالة مؤكسدة بواسطة نظام أكسدة البلاستوكينون (POS). مياكي وآخرون (الصفحات من 730 إلى 743) في آلية نقاط البيع باستخدام معلمة مضان Chl ، qL.

يفحص Nagai و Makino (الصفحات من 744 إلى 755) بالتفصيل الاختلافات بين الأرز والقمح ، وهما المحصولان الأكثر أهمية تجاريًا ، في استجابات درجة حرارة ثاني أكسيد الكربون.2 الاستيعاب ونمو النبات. وجدوا أن الاختلاف في إنتاج الكتلة الحيوية بين النوعين على مستوى النبات بأكمله يعتمد على الاختلاف في كفاءة استخدام النيتروجين في التمثيل الضوئي للأوراق ومعدل النمو. Sage and Sage (ص 756-772) يفحصان بنية الكلورانشيما في الأرز وما يتصل به اوريزا الأنواع فيما يتعلق بوظيفة التمثيل الضوئي. وجدوا أن بنية كلورانشيما الأرز تتضمن تكيفات لتعظيم إزالة ثاني أكسيد الكربون المتسرب من الضوء2 ولتعزيز التوصيل المنتشر لثاني أكسيد الكربون2. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبرون أن إدخال تشريح كرانز لا يتطلب تعديلات تشريحية جذرية في الهندسة C4 أرز.

أصبحت المعلوماتية الحيوية أداة قوية ، خاصة في أبحاث التمثيل الضوئي ، لأن كائنات التمثيل الضوئي لها توزيع تصنيفي واسع بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى. إيشيكاوا وآخرون. (الصفحات من 773 إلى 788) نتائج دراسة تجريبية لتقويم العظام الوظيفي ، والجمع بين تحليلات المعلومات الحيوية والتجريبية لتحديد بروتينات البلاستيدات الخضراء المشفرة نوويًا ذات الأصل التعايش الداخلي (CRENDO). وخلصوا إلى أن التنميط الوراثي مفيد في إيجاد CPRENDOs ، على الرغم من أن الوظائف الفسيولوجية للجينات المتعامدة قد تختلف في البلاستيدات الخضراء والبكتيريا الزرقاء.

نتمنى أن تستمتع بهذا العدد الخاص ، ونود دعوتك لإرسال المزيد من الأوراق الممتازة إليه فسيولوجيا النبات والخلية في مجال التمثيل الضوئي.


استنتاج

يعمل العرض غير الأمثل للنيتروجين على قمع بشكل كبير قدرة التمثيل الضوئي في الأنواع التي تتحمل عادةً الظل وحساسة للنيتروجين مثل P. notoginseng. الأوراق السميكة تحد من انتشار المرحلة السائلة لثاني أكسيد الكربون2 في خلايا الوسطية وبالتالي يقلل من التوصيل الداخلي. علاوة على ذلك ، فإن البلاستيدات الخضراء الكبيرة ذات النيتروجين المنخفضج يؤدي إلى عدم توازن بين الزيادات في gm ومحتوى Rubisco ، مما يؤدي إلى انخفاض أصافي في أفراد HN. بالإضافة إلى ذلك ، من الواضح أن التعبير عن الجينات المشاركة في دورة كالفين والتخليق الحيوي لكلوريد الهيدروجين وبروتينات الهوائي يتم قمعها في أفراد LN المقابل ، التعبير عن الجينات (على سبيل المثال RAF2, سيارة أجرة و بيت) المشاركة في دورة كالفين والتفاعل الضوئي أيضًا ، ومع ذلك ، قد يتم تثبيط قدرة التمثيل الضوئي بشكل أساسي بواسطة Rubisco المعطل في أفراد HN. بشكل عام ، تشير نتائجنا إلى أن أداء التمثيل الضوئي والتعبير الجيني المرتبط بالتمثيل الضوئي متناسق في نبات متسامح مع الظل وحساس لـ N يزرع على طول تدرج N.


التعديل الجيني يحسن كفاءة التمثيل الضوئي

روث ويليامز
17 من تشرين الثاني 2016

مجال التبغ WIKIMEDIA ، ANRO0002 تسريع استجابة النبات و rsquos للتقلبات في شدة الضوء يمكن أن يعزز إنتاجيتها من التمثيل الضوئي ، وفقًا لورقة نُشرت اليوم (17 نوفمبر) في علم. أبلغ المؤلفون ، الذين عدلوا نباتات التبغ وراثيًا لتتفاعل بسرعة أكبر مع التبديل المفاجئ بين الضوء والظل ، عن تحسن بنسبة 15 بالمائة تقريبًا في النباتات المعدلة & [رسقوو] الإنتاجية.

& ldquo الورقة هي حقًا اختراق لطيف للغاية. إنه & rsquos في المقام الأول حيث كان من الممكن إثبات أنه من خلال تحسين كفاءة التمثيل الضوئي ، هناك زيادة في المحصول في ظل الظروف الميدانية ، وقالت عالمة النبات كريستين فوير من جامعة ليدز بالمملكة المتحدة & ldquo سأقول إنها لعبة- المغير. و rdquo

توقعت الأمم المتحدة ومنظمة الأغذية والزراعة أنه بحلول عام 2050 ، سيحتاج العالم إلى إنتاج 70 في المائة من الغذاء أكثر مما ينتجه حاليًا. جنبًا إلى جنب مع تحسين التخزين والنقل والحفاظ على الأطعمة لتقليل الفاقد ، وزيادة.

وقال فوير إن المشكلة تكمن في "وجود هضبة تقريبًا في العديد من المحاصيل من حيث زيادة الغلة باستخدام تقنيات التربية الحالية". "كان من الواضح أنه كان علينا استخدام نهج جديد."

قال لونج إن التمثيل الضوئي - تحويل طاقة ضوء الشمس إلى كتلة حيوية - هو أحد أقدم العمليات البيولوجية على الأرض ، ويمكن القول إنه "الأكثر أهمية". في الواقع ، ينتج الأكسجين والغذاء على الكوكب. قال لونج ، لأن التطور كان يشكل عملية التمثيل الضوئي لفترة طويلة ، "كان هناك الكثير من الشكوك حول ما إذا كان [التغيير والتبديل] يمكن أن يفعل أي شيء للمحاصيل".

قال روبرت بلانكينشيب ، باحث التمثيل الضوئي في جامعة واشنطن في سانت لويس: "إذا دخلت حقًا وتعمق في عملية التمثيل الضوئي ، فسترى الكثير من الأماكن التي لا يكون فيها النظام فعالاً كما قد يكون". بعد كل شيء ، أضاف ، "التطور لا يجعل الأشياء مثالية ، إنه يجعلها جيدة بما يكفي للبقاء على قيد الحياة."

أحد الأمثلة على هذه الكفاءة الأقل من الكمال هو عملية تسمى التبريد غير الكيميائي الضوئي (NPQ) ، وهي آلية تحمي النباتات من الآثار الضارة للضوء شديد الكثافة. على وجه التحديد ، يبدد NPQ طاقة الإثارة المفرطة للضوء كحرارة لمنع الإثارة المفرطة وتدمير مجمعات الهوائي - التي تحتوي على الكلوروفيل ، والهياكل المستجيبة للضوء الضرورية لعملية التمثيل الضوئي. ولكن ، عندما تنخفض شدة الضوء ، أوضح لونج (عندما تغطي السحابة الشمس ، أو عندما تكون إحدى الأوراق مظللة بأخرى ، على سبيل المثال) ، يكون NPQ بطيئًا في الانطفاء. هذا يعني أن طاقة الإثارة تستمر في الانحراف حتى عندما لا تكون زائدة. وقد أظهرت النمذجة الحاسوبية أن هذا التأخر يمكن أن يقلل من امتصاص النبات المحتمل للكربون بنسبة تتراوح بين ثمانية و 40 بالمائة ، كما قال لونج.

وهكذا خطط لونج وزملاؤه لزيادة السرعة التي يتم بها تشغيل وإيقاف تشغيل NPQ. للقيام بذلك ، عبروا بشكل مفرط في نباتات التبغ عن الجينات الرئيسية الثلاثة التي تتحكم في NPQ: اثنان يشفران إنزيمات فيولاكسانثين دي إيبوكسيديز وزياكسانثين إيبوكسيديز ، وواحد يشفر البروتين PsbS - وحدة فرعية من مجمع هوائي النظام الضوئي الثاني.

قال لونج إن الفريق استخدم التبغ لأنه محصول قابل للتكيف تقنيًا ، موضحًا أن المحاصيل الغذائية مثل الأرز وفول الصويا والكسافا ستكون الأهداف النهائية.

باستخدام قياسات الوقت الفعلي لسرعة استجابة NPQ (عن طريق تحليل مضان الكلوروفيل) وامتصاص ثاني أكسيد الكربون (عن طريق تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء) ، لاحظ الفريق أن كلا العمليتين قد زادت بشكل كبير. وترجمت هذه التحسينات إلى زيادة بنسبة 14 إلى 20 بالمائة في الوزن الجاف للنبات الواحد في الظروف الحقلية.

قال بلانكينشيب: "إنه أمر مثير للإعجاب ما فعلوه" ، مضيفًا أن "هناك الكثير من الطرق الأخرى [لتعديل التمثيل الضوئي] التي قد يكون لها تأثيرات أكبر ،" مثل توسيع نطاق الضوء الذي يمكن للنباتات استخدامه.

في الواقع ، وافق فوير ، "هناك العديد من الخطوات على طول عملية التمثيل الضوئي حيث من الممكن رؤية التحسينات التي يمكن إجراؤها لزيادة العائد. وما فعله ستيف لونج وزملاؤه هو معالجة واحدة فقط ".

وأضافت أنه مع هذا التقدم ، "فإن الزيادة بنسبة 70 إلى 100 في المائة في العائد التي نحتاجها بشدة بحلول عام 2050 تبدو أقرب إلى الواقع الآن".

J. Kromdijk et al. ، "تحسين التمثيل الضوئي وإنتاجية المحاصيل من خلال تسريع التعافي من الحماية الضوئية ،" علم, 354:857-61, 2016.


التمثيل الضوئي كدورة ديناميكية حرارية

لقد كانت الديناميكا الحرارية لعملية التمثيل الضوئي موضوع اهتمام المجتمع العلمي ، لذلك تم تناولها في هذه الورقة. يكشف هذا العمل أنه يمكن استخدام العلاقات الديناميكية الحرارية التقليدية لحساب التمثيل الضوئي وإسقاطه. الطاقة الشمسية مطلوبة للتفاعل الكيميائي لإنتاج المادة الخضراء. عندما يتوسع حجم المادة الخضراء ، تستقبل المناطق المحيطة طاقة شمسية أقل ويتم تخزين المزيد من الطاقة الكيميائية في النباتات والغطاء النباتي. إذا كان كل شيء آخر هو نفسه ، فإن الزيادة في الطاقة الكيميائية المنتجة تساوي الانخفاض في حرارة المحيط الحيوي والعكس صحيح. وبالتالي ، فإن تمدد البناء الضوئي يعادل انتقال الحرارة من المحيط الحيوي إلى المادة الخضراء. يمكن افتراض أن النباتات المحيطة بالهواء عبارة عن خزان حرارة عند درجة حرارة الهواء الجاف ، Tديسيبل. قد يُفترض أن الهواء الأكثر برودة المحاط بمساحة المادة الخضراء هو خزان بارد عند درجة حرارة المصباح الرطب ، Twb، ويمكن تمثيل التمثيل الضوئي بواسطة دورة محرك كارنو. الكفاءة الحرارية للدورة تساوي 1- (Twb/ تديسيبل) 0.5. إذا كان كل شيء آخر هو نفسه ، فإن الاختلاف ، تيديسيبلwb، هو عامل مقيد لعملية التمثيل الضوئي الأرضي. بناءً على هذا الفهم ، يتم اشتقاق المعادلات للتنبؤ بنمو المادة الخضراء وقطر الشجرة والتحقق من صحتها بناءً على الملاحظات. تشمل النتائج الأخرى البناء الضوئي ، متوسط ​​الكفاءة الحرارية العالمية بين 0.61٪ و 0.72٪ ، والتخضير الموسمي ما يقرب من 0.80٪. مع إهمال إزالة الغابات ، فإن اتجاه تخضير السطح مع تغير المناخ يتراوح بين 0.23٪ و 0.28٪ سنويًا.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


الناس

تتمثل أهدافي البحثية طويلة المدى في فهم كيفية عمل تحويل الطاقة الضوئية ، وكيف يتم تنظيمها ، وكيف يمكن تحسينها للمساعدة في تلبية احتياجات العالم من الغذاء والوقود. نحن نستخدم مجموعة واسعة من الكائنات التجريبية والأساليب متعددة التخصصات للتحقيق في الأسئلة الأساسية حول التجميع والتنظيم وديناميكيات التمثيل الضوئي. يدرس أعضاء المختبر الحاليون التركيب الحيوي ووظيفة أصباغ التمثيل الضوئي ، وتجميع وإصلاح مراكز التفاعل الضوئي ، وهيكل وديناميكيات غشاء التمثيل الضوئي ، والآليات المشاركة في استشعار الضوء الزائد ، وإشارات الأكسجين القميص ، وتنظيم النسخ لعملية التمثيل الضوئي والحماية الضوئية بواسطة الضوء والكربون ، وتنظيم حصاد الضوء الضوئي في ضوء التشبع. من خلال مقارنة كيفية عمل التمثيل الضوئي في الكائنات الحية المتنوعة ، نأمل في الكشف عن مبادئ التصميم العامة لعملية التمثيل الضوئي الطبيعي بالإضافة إلى التكيفات الفريدة مع البيئات المختلفة.

بيولوجيا الطحالب

الطحالب حقيقية النواة والبكتيريا الزرقاء (غالبًا ما يشار إليها مجتمعة باسم "الطحالب") هي كائنات حية ضوئية بسيطة نسبيًا تقوم بعملية التمثيل الضوئي الأكسجينية المماثلة لتلك الموجودة في النباتات البرية. تتنوع الطحالب بشكل مثير للدهشة من حيث الموائل والكيمياء الحيوية وعلم وظائف الأعضاء وعلم التشكل ، ولها أدوار حاسمة في البيئة العالمية والكيمياء الحيوية. الطحالب الدقيقة المائية (العوالق النباتية) مسؤولة عن ما يقرب من نصف صافي الإنتاج الأولي للمواد العضوية على الأرض ، وقد عادت للظهور مؤخرًا كمواد أولية محتملة من الجيل التالي للوقود الحيوي (http://www.pbs.org/wgbh/nova /tech/algae-fuel.html).

علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية

يستخدم مختبري الأساليب الجينية لاكتساب نظرة ثاقبة لتنظيم التمثيل الضوئي والحماية الضوئية. نحن نمارس ما أقوم بتدريسه في Bio 1A - كل شيء من علم الوراثة المندلية الكلاسيكي إلى أدوات تحرير الجينوم الأكثر تطورًا.

الدورات

بيو 1 أ - علم الأحياء العام
PMB 120 - بيولوجيا الطحالب
PMB 120L - مختبر بيولوجيا الطحالب
PMB 290 - التمثيل الضوئي النباتي والميكروبي

المنشورات
آخر عمل

García-Cerdán JG، Schmid EM، Takeuchi T، McRae I، McDonald K، Yordduangjun N، Hassan AM، Grob P، Xu CS، Hess HF، Fletcher DA، Nogales E، Niyogi KK (2020). يعتبر Chloroplast Sec14-like 1 (CPSFL1) ضروريًا للتطور الطبيعي للبلاستيدات الخضراء ويعزز تراكم الكاروتين في كلاميدوموناس. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 117: 12452-12463. دوى: 10.1073 / بناس .1916948117

Hertle AP، García-Cerdán JG، Armbruster U، Shih R، Lee JJ، Wong W، Niyogi KK (2020). مطلوب بروتين مجال Sec14 للنمو الضوئي وتكوين حويصلة البلاستيدات الخضراء في نبات الأرابيدوبسيس thaliana. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 117: 9101-9111. دوى: 10.1073 / pnas.1916946117 (ظهرت على الغلاف وفي تعليق مرفق)

Onoa B ، Fukuda S ، Iwai M ، Bustamante C ، Niyogi KK (2020). High-speed atomic force microscopy visualizes mobility of photosynthetic proteins in grana thylakoid membranes. Biophys J 118: 1876-1886. doi: 10.1016/j.bpj.2020.02.029

Arsenault EA, Yoneda Y, Iwai M, Niyogi KK, Fleming GR (2020). Vibronic mixing enables ultrafast energy flow in light-harvesting complex II. نات كومون 11: 1460. doi: 10.1038/s41467-020-14970-1.

Dautermann O, Lyska D, Andersen-Ranberg J, Becker M, Gartmann H, Krämer LC, Mayr K, Pieper D, Rij LM, Niyogi KK, Lohr M (2020). An algal enzyme required for biosynthesis of the most abundant marine carotenoids. Sci Adv 6: eaaw9183. doi: 10.1126/sciadv.aaw9183

Amstutz CL, Fristedt R, Schultink A, Merchant SS, Niyogi KK, Malnoë A (2020). ROQH1 is a negative regulator of lipocalin-dependent non-photochemical quenching in نبات الأرابيدوبسيس thaliana. Nature Plants 6: 154-166. doi: 10.1038/s41477-020-0591-9

Roth MS, Westcott DJ, Iwai M, Niyogi KK (2019). Hexokinase is necessary for glucose-mediated photosynthesis repression and lipid accumulation in a green alga. Commun Biol 2: 347. doi: 10.1038/s42003-019-0577-1

Gabilly ST, Baker CR, Wakao S, Crisanto T, Guan K, Bi K, Guiet E, Guadagno CR, Niyogi KK (2019). Regulation of photoprotection gene expression in Chlamydomonas by a putative E3 ubiquitin ligase complex and a homolog of CONSTANS. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 116: 17556-17562. doi: 10.1073/pnas.1821689116

García-Cerdán JG, Furst AL, McDonald KL, Schünemann D, Francis MB, Niyogi KK (2019). A thylakoid membrane-bound and redox-active rubredoxin (RBD1) functions in de novo assembly and repair of photosystem II. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 116: 16631-16640. doi: 10.1073/pnas.1903314116

Roth MS, Gallaher SD, Westcott DJ, Iwai M, Louie KB, Mueller M, Walter A, Faflonker F, Bowen BP, Ataii NN, Song J, Chen J-H, Blaby-Haas CE, Larabell C, Auer M, Northen TR, Merchant SS, Niyogi KK. (2019). Regulation of oxygenic photosynthesis during trophic transitions in the green alga Chromochloris zofingiensis. الخلية النباتية 31: 579-601. doi: 10.1105/tpc.18.00742

Park S, Steen CJ, Lyska D, Fischer AL, Endelman B, Iwai M, Niyogi KK, Fleming GR (2019). Chlorophyll-carotenoid excitation energy transfer and charge transfer in Nannochloropsis oceanica for the regulation of photosynthesis. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 116: 3385-3390. doi: 10.1073/pnas.1819011116

Iwai M, Grob P, Iavarone AT, Nogales E, Niyogi KK (2018). A unique supramolecular organization of photosystem I in the moss باتينز فيسكوميتريلا. Nature Plants 4: 904-909. doi: 10.1038/s41477-018-0271-1

Park S, Fischer AL, Steen C, Iwai M, Morris JM, Walla PJ, Niyogi KK, Fleming GR (2018). Chlorophyll-carotenoid excitation energy transfer in high-light-acclimating thylakoid membranes investigated by snapshot transient absorption spectroscopy. شركة J Am Chem Soc 140: 11965-11973. doi: 10.1021/jacs.8b04844

Iwai M, Roth MS, Niyogi KK (2018). Subdiffraction-resolution live-cell imaging for visualizing thylakoid membranes. Plant J 96: 233-243. doi: 10.1111/tpj.14021

Park S, Fischer AL, Li Z, Bassi R, Niyogi KK, Fleming GR (2017). Snapshot transient absorption spectroscopy of carotenoid radical cations in high-light-acclimating thylakoid membranes. J Phys Chem Lett 8: 5548-5554.

Leuenberger M, Morris JM, Chan A, Leonelli L, Niyogi KK, Fleming GR (2017). Dissecting and modeling zeaxanthin- and lutein-dependent non-photochemical quenching in نبات الأرابيدوبسيس thaliana. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 114: E7009-E7017. doi: 10.1073/pnas.1704502114

Leonelli L, Brooks MD, Niyogi KK (2017). Engineering the lutein epoxide cycle into نبات الأرابيدوبسيس thaliana. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 114: E7002-E7008. doi:10.1073/pnas.1704373114

Niyogi KK (2017). Physiology and metabolism: Light responses from photoreceptors to photosynthesis and photoprotection. Curr Opin Plant Biol 37: iv-vi. doi: 10.1016/j.pbi.2017.05.009

Xu CS, Hayworth KJ, Lu Z, Grob P, Hassan AM, García-Cerdan JG, Niyogi KK, Nogales E, Weinberg RJ, Hess HF (2017). Enhanced FIB-SEM systems for large-volume 3D imaging. eLife 6: e25916. doi: 10.7554/eLife.25916

Roth MS, Cokus SJ, Gallaher SD, Walter A, Lopez D, Erickson E, Endelman B, Westcott D, Larabell C, Merchant SS, Pellegrini M, Niyogi KK (2017). Chromosome-level genome assembly and transcriptome of the green alga Chromochloris zofingiensis illuminates astaxanthin production. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 114: E4296-E4305. doi: 10.1073/pnas.1619928114

Gee CW, Niyogi KK (2017). The carbonic anhydrase CAH1 is an essential component of the carbon-concentrating mechanism in Nannochloropsis oceanica. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 114: 4537-4542.

Kirst H, Gabilly ST, Niyogi KK, Lemaux PG, Melis A (2017). Photosynthetic antenna engineering to improve crop yields. بلانتا 245: 1009-1020.

Dall’Osto L, Cazzaniga S, Bressan M, Palecek D, Zidek K, Niyogi KK, Fleming GR, Zigmantas D, Bassi R (2017). Two mechanisms for dissipation of excess light in monomeric and trimeric light-harvesting complexes. Nature Plants 3: 17033. doi: 10.1038/nplants.2017.33

Allorent G, Lefebvre-Legendre L, Chappuis R, Kuntz M, Truong TB, Niyogi KK, Ulm R, Goldschmidt-Clermont (2016). UV-B photoreceptor-mediated photoprotection of the photosynthetic machinery. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 113: 14864-14869.

Kromdijk J, Glowacka K, Leonelli L, Gabilly S, Iwai M, Niyogi KK, Long SP (2016). Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection. علم 354: 857-861.

Leonelli L, Erickson E, Lyska D, Niyogi KK (2016). Transient expression in نيكوتيانا بنتاميانا for rapid functional analysis of genes involved in non-photochemical quenching and carotenoid biosynthesis. Plant J 88: 375-386.

Li Z, Peers G, Dent RM, Bai Y, Yang SY, Apel W, Leonelli L, Niyogi KK (2016). Evolution of an atypical de-epoxidase for photoprotection in the green lineage. Nature Plants 2:16140. doi: 10.1038/nplants.2016.140.

Correa-Galvis V, Redekop P, Guan K, Grieß A, Truong TB, Wakao S, Niyogi KK, Jahns P (2016). PsbS is involved in the induction of LHCSR-dependent energy dissipation in كلاميدوموناس رينهاردتي. J بيول كيم 291: 17478-17487.

Armbruster U, Leonelli L, Correa-Galvis V, Strand D, Quinn E, Jonikas MC, Niyogi KK (2016). Regulation and levels of the thylakoid K+/H+ antiporter KEA3 shape the dynamic response of photosynthesis in fluctuating light. Plant Cell Physiol 57: 1557-1567.

Brzezowski P, Sharifi MN, Dent RM, Morhard MK, Niyogi KK, Grimm B (2016). Mg chelatase in chlorophyll synthesis and retrograde signaling in كلاميدوموناس رينهاردتي: CHLI2 cannot substitute for CHLI1. J Exp Bot 67: 3925-3938.

Ballottari M, Truong TB, De Re E, Erickson E, Stella GR, Fleming GR, Bassi R, Niyogi KK (2016). Identification of pH-sensing sites in the light harvesting complex stress-related 3 protein essential for triggering non-photochemical quenching in كلاميدوموناس رينهاردتي. J بيول كيم 291: 7334-7346.

Glowacka K, Kromkijk J, Leonelli L, Niyogi KK, Clemente TE, Long SP (2016). An evaluation of new and established methods to determine T-DNA copy number and homozygosity in transgenic plants. Plant Cell Environ 39: 908-917.

Tibiletti T, Hernández-Prieto MA, Matthijs HCP, Niyogi KK, Funk C (2016). Deletion of the gene family of small chlorophyll-binding proteins (ScpABCDE) offsets C/N homeostasis in متزامن PCC 6803. Biochim Biophys Acta 1857: 396-407.

Ngan CY, Wong C-H, Choi C, Yoshinaga Y, Louie K, Jia J, Chen C, Bowen B, Cheng H, Leonelli L, Kuo R, Baran R, García-Cerdán JG, Pratap, A, Wang, M, Lim J, Tice H, Daum C, Xu J, Northen T, Visel A, Bristow J, Niyogi KK, Wei C-L (2015). Lineage-specific chromatin signatures reveal a regulator of lipid metabolism in microalgae. Nature Plants 1: 15107.

Ort DR, Merchant SS, Alric J, Barkan A, Blankenship RE, Bock R, Croce R, Hanson MR, Hibberd JM, Lindstrom DL, Long SP, Moore TA, Moroney J, Niyogi KK, Parry MAJ, Peralta-Yahya PP, Prince RC, Redding KE, Spalding MH, van Wijk KJ, Vermaas WFJ, von Caemmerer S, Weber APM, Yeates TO, Yuan JS, Zhu XG (2015). Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 112: 8529-8536.

Niyogi KK, Wolosiuk RA, Malkin R, (2015). البناء الضوئي. In: Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2nd edition, Buchanan BB, Gruissem W, Jones RL, eds (Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd.), pp. 508-566.

Tietz S, Puthiyaveetil S, Enlow HM, Yarbrough R, Wood M, Semchonok D, Lowry T, Li Z, Jahns P, Boekema EJ, Lenhert S, Niyogi KK, Kirchhoff H (2015). Functional implications of photosystem II crystal formation in photosynthetic membranes. J بيول كيم 290: 14091-14106.

Erickson E, Wakao S, Niyogi KK (2015). Light stress and photoprotection in كلاميدوموناس رينهاردتي. Plant J 82: 449-465.

Dent RM, Sharifi MN, Haglund C, Malnoë, A, Calderon RH, Wakao S, Niyogi KK (2015). Large-scale insertional mutagenesis of كلاميدوموناس supports phylogenomic functional prediction of photosynthetic genes and analysis of classical acetate-requiring mutants. Plant J 82: 337-351.

Highlights of older work

Wakao S, Chin BL, Ledford HK, Dent RM, Casero D, Merchant SS, Pellegrini M, Niyogi KK (2014). Phosphoprotein SAK1 is a regulator of acclimation to singlet oxygen in Chlamydomonas reinhardtii. eLife 3: e02286. doi: 10.7554/eLife.02286

Shih PM, Zarzycki J, Niyogi KK, Kerfeld CA (2014).Introduction of a synthetic CO2-fixing photorespiratory bypass into a cyanobacterium. J Biol Chem 289: 9493-9500.

Calderon RH, García-Cerdán J, Malnoë A, Cook R, Russell JJ, Gaw C, Dent RM, de Vitry C, Niyogi KK (2013). A conserved rubredoxin is necessary for photosystem II accumulation in diverse oxygenic photoautotrophs. J Biol Chem 288: 26688-26696

Brooks MD, Sylak-Glassman EJ, Fleming GR, Niyogi KK (2013). A thioredoxin-like/beta-propeller protein maintains the efficiency of light harvesting in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 110: E2733-2740. doi: 10.1073/pnas.1305443110

Niyogi KK, Truong TB (2013). Evolution of flexible non-photochemical quenching mechanisms that regulate light harvesting in oxygenic photosynthesis. Curr Op Plant Biol 16: 307-314.

Zaks J, Amarnath K, Kramer DM, Niyogi KK, Fleming GR (2012). A kinetic model of rapidly reversible nonphotochemical quenching. Proc Natl Acad Sci USA 109: 15757-15762.

Amarnath K, Zaks J, Park SD, Niyogi KK, Fleming GR (2012). Fluorescence lifetime snapshots reveal two rapidly reversible mechanisms of photoprotection in live cells of Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci USA 109: 8405-8410. doi: 10.1073/pnas.1205303109

Fischer BB, Ledford HK, Wakao S, Huang SG, Casero D, Pellegrini M, Merchant SS, Koller A, Eggen RIL, Niyogi KK (2012). SINGLET OXYGEN RESISTANT 1 links reactive electrophile signaling to singlet oxygen acclimation in Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci USA 109: E1302-1311. doi:10.1073/pnas.1116843109

Li Z, Keasling JD, Niyogi KK (2012). Overlapping photoprotective function of vitamin E and carotenoids in Chlamydomonas. Plant Physiol 158: 313-323. doi:10.1104/pp.111.181230 (featured in accompanying “On the Inside” article)

Kilian O, Benemann CSE, Niyogi KK, Vick B (2011). High-efficiency homologous recombination in the oil-producing alga, Nannochloropsis sp. Proc Natl Acad Sci USA 108: 21265-21269. doi:10.1073/pnas.1105861108 (featured on the cover and in an accompanying Commentary)

Murchie EH, Niyogi KK (2011). Manipulation of photoprotection to improve plant photosynthesis. Plant Physiol 155: 86-92.

Bonente G, Ballottari M, Truong TB, Morosinotto T, Ahn TK, Fleming GR, Niyogi KK, Bassi R (2011). Analysis of LHCSR3, a protein essential for feedback de-excitation in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. PLoS Biol 9(1): e1000577. doi:10.1371/journal.pbio.1000577

Peers G, Truong TB, Ostendorf E, Busch A, Elrad D, Grossman AR, Hippler M, Niyogi KK (2009). An ancient light-harvesting protein is critical for the regulation of algal photosynthesis. طبيعة سجية 462: 518-52.

Li Z, Ahn TK, Avenson TJ, Ballottari M, Cruz JA, Kramer DM, Bassi R, Fleming GR, Keasling JD, Niyogi KK (2009). Lutein accumulation in the absence of zeaxanthin restores nonphotochemical quenching in the Arabidopsis thaliana npq1 متحولة. الخلية النباتية 21: 1798-1812.

Li Z, Wakao S, Fischer BB, Niyogi KK (2009). Sensing and responding to excess light. Annu Rev Plant Biol 60: 239-260.

Ahn TK, Avenson TJ, Ballottari M, Cheng, Y-C, Niyogi KK, Bassi R, Fleming GR (2008). Architecture of a charge-transfer state regulating light harvesting in a plant antenna protein. علم 320: 794-797.

Ledford HK, Chin BL, Niyogi KK (2007). Acclimation to singlet oxygen stress in كلاميدوموناس رينهاردتي. Eukaryot Cell 6: 919–930.

Dent RM, Haglund CM, Chin BL, Kobayashi MC, Niyogi KK (2005). Functional genomics of eukaryotic photosynthesis using insertional mutagenesis of كلاميدوموناس رينهاردتي. Plant Physiol 137: 545–556.

Holt NE, Zigmantas D, Valkunas L, Li X-P, Niyogi KK, Fleming GR (2005). Carotenoid cation formation and the regulation of photosynthetic light harvesting. علم 307: 433–436.

Li X-P, Gilmore AM, Caffarri S, Bassi R, Golan T, Kramer D, Niyogi KK (2004). Regulation of photosynthetic light harvesting involves intrathylakoid lumen pH sensing by the PsbS protein. J بيول كيم 279: 22866–22874.

Müller-Moulé P, Golan T, and Niyogi KK (2004). Ascorbate-deficient mutants of نبات الأرابيدوبسيس thaliana grow in high light despite chronic photo-oxidative stress. Plant Physiol 134: 1163–1172.

Baroli I, Gutman BL, Ledford HK, Shin JW, Chin BL, Havaux M, Niyogi KK (2004). Photo-oxidative stress in a xanthophyll-deficient mutant of Chlamydomonas. J بيول كيم 279: 6337–6344.

Müller-Moulé P, Havaux M, Niyogi KK (2003). Zeaxanthin deficiency enhances the high light sensitivity of an ascorbate-deficient mutant of نبات الأرابيدوبسيس thaliana. Plant Physiol 133: 748–760.

Ma Y-Z, Holt NE, Li X-P, Niyogi KK, Fleming GR (2003). Evidence for direct carotenoid involvement in the regulation of photosynthetic light harvesting. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 100: 4377–4382.

Baroli I, Do AD, Yamane T, Niyogi KK (2003). Zeaxanthin accumulation in the absence of a functional xanthophyll cycle protects كلاميدوموناس رينهاردتي from photo-oxidative stress. الخلية النباتية 15: 992–1008.

Li X-P, Müller-Moulé P, Gilmore AM, Niyogi KK (2002). PsbS-dependent enhancement of feedback de-excitation protects photosystem II from photoinhibition. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 99: 15222–15227.

Li X-P, Björkman O, Shih C, Grossman AR, Rosenquist M, Jansson S, Niyogi KK (2000). A pigment-binding protein essential for regulation of photosynthetic light harvesting. طبيعة سجية 403: 391–395.

Havaux M, Niyogi KK (1999). The violaxanthin cycle protects plants from photo-oxidative damage by more than one mechanism. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 96: 8762–8767.

Honors and Awards

Elected Fellow of the American Association for the Advancement of Science (AAAS) - 2016
Elected Member of National Academy of Sciences - 2016
Fellow of ASPB Award - American Society of Plant Biologists - 2016
HHMI-GBMF Investigator - Howard Hughes Medical Institute and the Gordon and Betty Moore Foundation - 2011
Charles Albert Schull Award - American Society of Plant Biologists - 2005
Melvin Calvin Award - International Society of Photosynthesis Research - 2001
Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers - USDA - 1998
Searle Scholar - Searle Scholars Program/The Chicago Community Trust - 1998


The Carbon Cycle

All organisms need energy to perform life functions, and energy that is released is reused in other ways.

أهداف التعلم

Describe the importance of the carbon cycle

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • Every single atom of energy is conserved by changing form or moving from one type of energy to another, so waste does not exist in nature.
  • Photosynthesis absorbs light energy to build carbohydrates, and aerobic cellular respiration releases energy by using oxygen to metabolize carbohydrates.
  • Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen, and aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide.
  • Both photosynthesis and cellular respiration use electron transport chains to capture the energy necessary to drive other reactions.

الشروط الاساسية

  • غيرية التغذية: an organism that requires an external supply of energy in the form of food, as it cannot synthesize its own
  • التنفس الخلوي: the set of the metabolic reactions and processes that take place in the cells of organisms to convert biochemical energy from nutrients into adenosine triphosphate (ATP)
  • الهوائية: living or occurring only in the presence of oxygen

The Carbon Cycle

Photosynthesis and Aerobic Respiration: Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen. Aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. These two processes play an important role in the carbon cycle.

Whether the organism is a bacterium, plant, or animal, all living things access energy by breaking down carbohydrate molecules. But if plants make carbohydrate molecules, why would they need to break them down, especially when it has been shown that the gas organisms release as a “waste product” (CO2) acts as a substrate for the formation of more food in photosynthesis? Living things need energy to perform life functions. In addition, an organism can either make its own food or eat another organism either way, the food still needs to be broken down. Finally, in the process of breaking down food, called cellular respiration, heterotrophs release needed energy and produce “waste” in the form of CO2 غاز.

In nature, there is no such thing as waste. Every single atom of matter and energy is conserved, recycling over and over, infinitely. Substances change form or move from one type of molecule to another, but their constituent atoms never disappear.

كو2 is no more a form of waste than oxygen is wasteful to photosynthesis. Both are byproducts of reactions that move on to other reactions. Photosynthesis absorbs light energy to build carbohydrates in chloroplasts, and aerobic cellular respiration releases energy by using oxygen to metabolize carbohydrates in the cytoplasm and mitochondria. Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen. Aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. Both processes use electron transport chains to capture the energy necessary to drive other reactions. These two powerhouse processes, photosynthesis and cellular respiration, function in biological, cyclical harmony to allow organisms to access life-sustaining energy that originates millions of miles away in the sun.


شاهد الفيديو: البناء الضوئي - التمثيل الضوئي (كانون الثاني 2022).