Fotoinhibitio on valon aiheuttama kasvien , levien tai sinilevien fotosynteettisen aktiivisuuden väheneminen . Photosystem II (PSII) on herkempi valolle kuin muut fotosynteettiset koneet, minkä vuoksi useimmat tutkijat määrittelevät termin valon aiheuttamaksi PSII:n vaurioksi. Elävissä organismeissa liiallisen valaistuksen vahingoittama fotosysteemi II korjaantuu jatkuvasti PSII - fotosynteettisen reaktiokeskuksen D 1 -proteiinin hajoamisen ja synteesin vuoksi. Termiä fotoinhibitio käytetään myös laajemmassa merkityksessä, mikä tarkoittaa "dynaamista fotoinhibitiota", kuvaamaan kaikkia reaktioita, jotka johtavat fotosynteesin tehokkuuden heikkenemiseen, kun kasvit altistetaan valolle.
Ensimmäinen tiedemies, joka todella mittasi valoinhibitiotason, oli Bessel Kok, joka julkaisi tulokset vuonna 1956 [1] . Jo ilmiön tutkimuksen alkuvaiheessa kävi selväksi, että kasveilla on jonkinlainen korjausmekanismi, joka jatkuvasti eliminoi vaurioita. Vuonna 1966 Jones ja Kok mittasivat fotoinhibition toimintaspektrin ja havaitsivat, että ultraviolettivalolla oli suurin vaikutus [2] . Havaittiin myös, että spektrin näkyvässä osassa fotoinhiboinnin huippu oli punaisella alueella. 1980-luvulla fotoinhibitiosta tuli suosittu aihe fotosynteesin tutkijoiden keskuudessa, ja vaurion ja korjaamisen käsite löydettiin uudelleen. Tutkimus alkoi Kyle Ohadin ja Arntzenin vuonna 1984 julkaisemalla tutkimuksella, jossa he osoittivat, että valoinhibitioon liittyy 32 kDa:n proteiinin selektiivinen häviäminen, joka myöhemmin tunnistettiin D1- proteiiniksi [3] . PSII:n valoherkkyyttä kemiallisesti inaktivoidun vettä hapettavan kompleksin kanssa tutkittiin 1980-luvulla ja 1990-luvun alussa [4] [5] . Imre Wassin ja kollegoiden vuoden 1992 artikkelissa kuvattiin fotoinhibitiomekanismin akseptoripuolta [6] . Singletin hapen tuotantonopeuden mittaus fotosysteemillä II valoinhibitioolosuhteissa antoi lisätodisteita akseptorimekanismin puolesta [7] . Korjaussyklin käsite, jossa vaurioiden korjaaminen tapahtuu jatkuvasti, on kehittynyt, ja Aro et al. vuonna 1993 [8] . Sen jälkeen on löydetty monia korjaussyklin yksityiskohtia, mukaan lukien se tosiasia, että FtsH- proteaasilla on tärkeä rooli D1-proteiinin hajoamisessa [ 9] . Taestchzhavan ja Haron vuoden 1996 artikkelissa osoitettiin, että valoinhibitionopeusvakio on suoraan verrannollinen valon intensiteettiin, mikä on ristiriidassa aikaisemman ehdotuksen kanssa, jonka mukaan valoinhibitio johtuu valoenergian murto-osasta, joka ylittää maksimi fotosynteesikapasiteetin [10] . Seuraavana vuonna Yitzhak Ohadan ryhmä suoritti kokeen fotosysteemin II fotoinhibointia laserpulssilla, ja saatujen tietojen perusteella he ehdottivat, että varausten erottaminen voisi olla haitallista, koska se voisi johtaa singlettihapen muodostumiseen [11] . Tiedeyhteisössä keskustellaan jatkuvasti fotoinhibition mahdollisesta molekyylimekanismista (tai mekanismeista). Uusin ehdokas on Esa Taestchzhavan ryhmän vuonna 2005 ehdottama mangaanimekanismi [12] . Norio Muratan ryhmä ehdotti samanlaista mekanismia samassa vuonna 2005 [13] .
Fotoinhibitio esiintyy kaikissa organismeissa, jotka kykenevät hapettavaan fotosynteesiin, vaskulaarisista kasveista syanobakteereihin [14] [15] . Kaikissa tapauksissa sininen valo saa aikaan voimakkaamman vaikutuksen kuin muut näkyvän valon aallonpituudet, ja kaikista aallonpituuksista ultraviolettivalolla on voimakkain tuhoava vaikutus [14] . Pohjimmiltaan fotoinhibitio on sarja fotokemiallisia reaktioita, jotka estävät tiettyä PSII-aktiivisuutta, mutta ei ole yksimielisyyttä siitä, mitä nämä reaktiot ovat. Ensimmäinen, joka menettää aktiivisuutensa, on yleensä vettä hapettava kompleksi [12] [13] [16] [17] . Kuitenkin PSII:n esto anaerobisissa olosuhteissa johtaa pääasiassa elektroninsiirron estoon PSII:n akseptoripuolella (elektronin siirtyminen erityisestä klorofylliparista plastokinoniin) [6] . UV-valo estää vettä hapettavan kompleksin jo ennen kuin muu PSII menettää aktiivisuutensa. Photosystem I (PSI) on vähemmän herkkä valovaurioille kuin PSII, mutta se kuitenkin estyy hitaasti ajan myötä [18] . PSI-valoinhibitio tapahtuu kylmäherkissä kasveissa ja riippuu elektronivirrasta PSII:sta PSI:hen.
Valo vahingoittaa Photosystem II:ta sen voimakkuudesta riippumatta. Vahingollisen reaktion kvanttisato korkeampien kasvien tyypillisissä lehdissä tai tylakoidikalvovalmisteissa vaihtelee välillä 10–8–10–7, eikä se riipu valon intensiteetistä [10] [19] . Tämä tarkoittaa , että noin yksi Photosystem II - kompleksi vaurioituu jokaista 10-100 miljoonaa otettua fotonia kohden . Näistä tiedoista seuraa, että valoinhibitio tapahtuu millä tahansa valon intensiteetillä ja fotoinhiboinnin nopeusvakio on suoraan verrannollinen sen intensiteettiin. Jotkut tulokset osoittavat, että himmeä valo aiheuttaa jopa enemmän vahinkoa kuin kirkas valo [11] .
Valoinhibitiomekanismi(t) on keskustelun alla, ja useita erilaisia mekanismeja on ehdotettu [16] . Reaktiiviset happilajit , erityisesti singlettihappi, näyttelevät roolia fotosysteemin II:n akseptoripuolen, singlettihappimekanismin ja heikosta valon estomekanismissa. Reaktiivisilla happilajeilla ei kuitenkaan ole suoraa roolia mangaanimekanismissa ja fotosysteemi II:n luovuttajapuolen estomekanismissa. PSII:n fotoinhiboituminen johtaa singlettihapen [7] ja muiden reaktiivisten happilajien muodostumiseen, jotka estävät PSII:n korjaussykliä estämällä proteiinisynteesiä kloroplastissa [20] .
Kirkas valo vähentää plastokinonipoolia , mikä johtaa Photosystem II :n elektronin vastaanottajan QA protonoitumiseen ja kaksinkertaiseen pelkistymiseen (ja kaksoisprotonoitumiseen) . QA:n protonoitu ja täysin pelkistetty muoto ei voi osallistua elektronien kuljetukseen. Lisäksi varauksen erotusreaktio inhiboidussa fotosysteemissä II suurella todennäköisyydellä johtaa primaarisen elektronin luovuttajan ( P680 ) siirtymiseen triplettitilaan. Tripletti P 680 voi reagoida hapen kanssa ja muodostaa erittäin reaktiivista singlettihappea [6] .
Jos vettä hapettava kompleksi inaktivoidaan kemiallisesti, jäljelle jääneistä elektronien kuljetuselementeistä tulee erittäin herkkiä valolle [4] [19] . On ehdotettu, että edes terveissä lehdissä vettä hapettava kompleksi ei aina toimi kaikissa fotosysteemi II:n komplekseissa, ja ne, joissa se ei toimi, ovat alttiita nopealle ja palautumattomalle fotoinhibitiolle [21] .
Mangaani-ionien absorboima fotoni vettä hapettavan kompleksin mangaaniklusterissa aiheuttaa sen inaktivoitumisen. Elektroninsiirtoreaktioiden lisää esto tapahtuu luovuttajapuolen estomekanismilla. Tiedot valoinhibition vaikutusspektristä puhuvat tämän mekanismin puolesta [12] .
Fotosysteemi II:n eston aiheuttaa singlettihappi, joka muodostuu joko heikosti konjugoituneista klorofyllimolekyyleistä [22] tai vähentyneistä sytokromeista ja rauta-rikkikeskuksista [23] .
Varauksen erottuminen Photosystem II:ssa johtaa tripletin P 680 ilmaantumiseen ja sen seurauksena singlettihappiin, ja varauksen erottuminen on todennäköisempää alhaisella valon voimakkuudella kuin suurella valon voimakkuudella [11] .
Jos valoinhibition kinetiikkaa mitataan linkomysiinillä värjätyistä lehdistä, syanobakteereista tai levistä tai eristetyssä tylakoidikalvossa, jossa korjaussykli ei häiritse kinetiikkaa, niin fotoinhibitio kuvataan ensimmäisen asteen reaktioyhtälöllä. C. W. Chow'n ryhmästä saadut tiedot osoittavat, että pippurin ( Capsicum annuum ) lehdissä vallitsee aikaisemman reaktion sijaan näennäinen tasapaino, vaikka korjaussykli olisi estetty. Tämä tosiasia voidaan selittää, jos oletetaan, että PSII:n osan estäminen suojaa jäljellä olevia aktiivisia reaktiokeskuksia vaurioilta [24] . Sekä näkyvä että ultraviolettivalo aiheuttavat fotoinhibitiota, entinen on paljon haitallisempaa [12] [23] [25] . Jotkut tutkijat uskovat, että ultravioletti ja näkyvä valo indusoivat fotoinhibitiota kahdella eri mekanismilla [26] , kun taas toiset korostavat eri aallonpituuksien vaikutuksesta tapahtuvien estoreaktioiden samankaltaisuutta [12] [13] .
Valon vaikutuksesta fotoinhibitiota tapahtuu jatkuvasti valossa fotosynteettisissä organismeissa ja siksi niiden on jatkuvasti korjattava syntyviä vaurioita [8] . Fotosysteemi II:n korjaussykli tapahtuu kloroplasteissa ja syanobakteereissa: se koostuu vanhan hajoamisesta ja uuden PSII D 1 -proteiinin synteesistä, jota seuraa reaktiokeskuksen kokoaminen. Loput valojärjestelmän proteiineista kierrätetään ja käytetään uudelleen PSII-kokoonpanoon. Nopean korjauksen ansiosta reaktiivisimmat PSII-kohdat eivät ole valoinhiboituja, vaikka kasvi kasvaisi kirkkaassa valossa. Ympäristörasitukset, kuten äärimmäiset lämpötilat, suolapitoisuus ja kuivuus, rajoittavat kuitenkin hiilidioksidin syöttöä hiilen sitoutumissykliin , mikä vähentää PSII:n korjausnopeutta [ 27] .
Valoinhibitiotutkimuksessa korjaussykli estetään usein antibiooteilla ( linkomysiini tai kloramfenikoli ) , jotka pysäyttävät proteiinisynteesin kloroplastissa . Proteiinisynteesi tapahtuu vain hajoamattomassa näytteessä, joten linkomysiiniä ei tarvita, kun fotoinhibitio mitataan eristetyissä kalvoissa [27] .
Kasveilla on mekanismeja, jotka suojaavat niitä kirkkaan valon haitallisilta vaikutuksilta. Eniten tutkittu ei-valokemiallisen viritysenergian sammutuksen biokemiallinen suojamekanismi [28] . Näkyvän valon aiheuttama valonesto Arabidopsis thaliana -mutantissa ilman ei-fotokemiallista sammutusta tapahtuu ~25 % nopeammin villityypissä . On myös ilmeistä, että lehtien kääntyminen tai taittuminen, kuten tapahtuu esimerkiksi happamassa suolahapossa vasteena kirkkaalle valolle, suojaa valoinhibitiolta.
Valoinhibitio voidaan mitata eristetyissä tylakoidikalvoissa tai niiden alafraktioissa tai koskemattomissa syanobakteerisoluissa mittaamalla hapen kehittymisen nopeus täyden valokyllästyksen olosuhteissa ja keinotekoisten elektronien vastaanottajien ( Hill's- reagenssit ) läsnä ollessa.
Fotoinhibitioastetta ehjissä lehdissä voidaan mitata fluorometrillä mittaamaan vaihtelevan ja maksimiklorofyllin fluoresenssiarvon (F V /F M ) suhdetta [16] . Tästä indeksistä voidaan johtaa fotoinhibitioasteen arvo, koska merkittävä osa energiasta vapautuu klorofylli a fluoresenssina olosuhteissa, joissa monet PSII:sta viritetyt elektronit eivät siirry akseptoriin, vaan palaavat takaisin maahan. energiatila.
Ennen F V /F M -suhteen mittaamista lehtiä tulee inkuboida pimeässä vähintään 10 minuuttia ja mieluiten pidempään, jotta ei-valokemiallinen sammutus saadaan poistettua.
Valonesto voidaan saada aikaan myös lyhyillä valon välähdyksellä käyttämällä pulssilaseria tai ksenonsalamalamppuja . Hyvin lyhyillä välähdyksillä valoneston tehokkuus riippuu välähdysten välisestä tauosta [11] . Tämä riippuvuus selittyy sillä, että välähdykset aiheuttavat varauksen erottumista PSII:ssa, jota seuraa singlettihapen tuotanto. Tulkintaa on kritisoitu, koska ksenonlamppujen välähdysten aiheuttaman fotoinhibitoinnin tehokkuus riippuu edelleen salamaenergiasta jopa niin voimakkailla välähdyksellä, että ne kyllästävät varauksen erotusreaktion [12] .
Jotkut tutkijat haluavat määritellä termin "valoinhibitio" tarkoittamaan kaikkia reaktioita, jotka vähentävät fotosynteesin kvanttisatoa, kun kasvi altistetaan valolle [29] [30] . Termi "dynaaminen fotoinhibitio" sisältää ilmiöt, jotka alentavat reversiibelisti fotosynteesin tasoa valossa, ja termit "valovaurio" tai "reversiibeli fotoinhibition" kattavat valon vaurioittaviin vaikutuksiin suoraan liittyvän fotoinhibition käsitteen. Dynaamisen fotoinhibition päämekanismi on PSII:n absorboiman viritysenergian ei-fotokemiallinen sammutus . Dynaaminen fotoinhibitio on sopeutumista kirkkaisiin valo-olosuhteisiin, ei valon aiheuttamiin vaurioihin, joten "dynaaminen fotoinhibition" itse asiassa suojaa kasveja "valoinhibitiolta".
Valoinhibitio voi johtaa korallien valkaisuun [27] .