Sammalet säätelevät fotosynteesiään muista kasveista poiketen
Sammalet muodostavat fotosynteesin säätelymekanismien suhteen mielenkiintoisen evolutiivisen välimuodon levien ja kehittyneempien siemenkasvien väliin, osoittaa Turun yliopiston tuore tutkimus. Uutta tietoa voidaan tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi satokasvien fotosynteesin muokkaamiseen ja satomäärien kasvattamiseen erityisesti kuivuudesta kärsivillä alueilla.
Turun yliopiston tiedote 12.10.2016
Fotosynteesi eli yhteyttäminen tuottaa ihmiskunnalle ravinnon, lähes kaiken energian ja vapauttaa hengitykseemme tarvittavan hapen. Fotosynteesin perusreaktiot ovat kehittyneet syanobakteereissa eli sinilevissä ja siirtyneet evoluution edetessä kasvien viherhiukkasiin.
Vaikka fotosynteesin perusreaktiot tunnetaankin jo verrattain hyvin, fotosynteesin säätelymekanismit ovat vielä paljolti tuntemattomia. Kuitenkin juuri säätelymekanismien avulla kasvi voi välttää fotosynteettisiin reaktioihin väistämättä liittyvät soluvauriot.
– Toisin kuin perusreaktiot, jotka ovat säilyneet hämmästyttävän samankaltaisina läpi kasvikunnan evoluution aina yksisoluisista levistä kehittyneisiin siemenkasveihin, viimeaikaiset tutkimukset ovat paljastaneet fotosynteesin säätelymekanismien muuttuneen huomattavasti evoluution kuluessa. Tieto juuri fotosynteesireaktioiden säätelymekanismeista on perusedellytys valjastettaessa fotosynteettisiä organismeja erilaisiin hyötytarkoituksiin, kuten esimerkiksi biopolttoaineiden tuottoon, toteaa tutkimusryhmää johtava professori Eva-Mari Aro.
Kasvien evoluution käännekohta tapahtui noin 450 miljoonaa vuotta sitten, kun fotosynteettiset eliöt alkoivat levitä vedestä maalle. Maaympäristöön siirtymisen yhteydessä fotosynteesireaktioiden oli pakko sopeutua vesiympäristöä kirkkaampaan valoon sekä matalampaan hiilidioksidipitoisuuteen. Sammalet erosivat tässä varhaisessa omaksi kehityslinjakseen ja siksi sammalet ovat tärkeä työkalu tutkittaessa fotosynteesin säätelymekanismien evoluutiota.
Italialaisen Padovan yliopiston ja Turun yliopiston yhteistyönä toteuttamassa tutkimuksessa selvitettiin flavodiiron-proteiinien merkitystä sammalten fotosynteesille. Tutkimusryhmän aikaisempien tulosten perusteella tiedetään, että kyseiset proteiinit ovat tärkeitä poistettaessa ylimääräistä energiaa syanobakteerisoluista. Ne toimivat siis tavallaan elektronien varaventtiileinä valon aiheuttamassa ylivirittyneessä tilassa.
– Flavodiiron-proteiineja koodaavia geenejä tiedetään olevan syanobakteerien ja levien lisäksi myös itiö- ja paljassiemenisillä kasveilla, mutta niiden rooli näillä leviä kehittyneemmillä fotosynteettisillä eliöillä on ollut tähän saakka tuntematon, sanoo tutkijatohtori Caterina Gerotto.
Gerotto on erikoistunut Physcomitrella patens -sammalen genomin muokkaukseen ja tutkimuksessa hän poisti sammalesta flavodiiron-proteiineja koodittavat geenit. Lisäksi hän testasi mutanttien selviytymiskykyä erilaisissa valo-olosuhteissa.
Gerotto havaitsi, että flavodiiron-proteiinien puute heikentää huomattavasti sammalten kasvua, erityisesti kun sammalia kasvatettiin oloissa, joissa valon määrä vaihteli luonnonoloja vastaavalla tavalla. Tarkemmat tutkimukset osoittivat, että flavodiiron-proteiinit suojaavat fotosynteesin peruskomponentteja eli valoreaktioita tuhoutumiselta, kun valon määrä äkillisesti kasvaa esimerkiksi aurinkoläikkien ilmaantuessa tai pilvien väistyessä.
Toisaalta Gerotto havaitsi sammalten kehittäneen tietyntyyppistä sylkiseen elektroninsiirtoon viittaavaa kompensaatiomekanismia, joka puuttuu kokonaan syanobakteereilta, siis kaikkien aitotumallisten yhteyttävien organismien viherhiukkasten kantamuodolta.
Sammaliin verrattuna evolutiivisesti kehittyneemmillä siemenkasveilla kyseisen syklisen elektroninsiirron reaktiot suojaavat valoreaktioita happiradikaalien aiheuttamilta vaurioilta ja flavodiiron-proteiinit puuttuvat kokonaan.
– Tutkimus siis osoitti, että evoluution kuluessa flavodiiron-proteiinien rooli on korvautunut syklisellä elektroninsiirrolla. Sammalet näyttävätkin muodostavan fotosynteesin säätelymekanismien suhteen mielenkiintoisen evolutiivisen välimuodon levien ja kehittyneempien siemenkasvien väliin, siis evolutiivisesti ajanjaksoon, jolloin elämä pystyi muuttamaan meristä maalle, Gerotto toteaa.
Sammalten fotosynteesin säätelymekanismeista opittua tietoa voidaan tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi satokasvien fotosynteesin muokkaamiseen ja satoisuuden lisäämiseen erityisesti kuivuudesta kärsivillä alueilla.
Tutkimuksen julkaisi arvostettu yhdysvaltalainen tiedelehti PNAS: http://www.pnas.org/content/early/2016/10/07/1606685113.abstract
Lisätietoja
Caterina Gerotto, tutkijatohtori, 02 333 8076, caterina.gerotto@utu.fi (yhteydenotot englanniksi)
Marjaana Suorsa, tutkimuskoordinaattori, 050 3601130, 02 333 6853, msuorsa@utu.fi