Fotoinhibice je světlem indukované snížení fotosyntetické aktivity rostlin , řas nebo sinic . Fotosystém II (PSII) je citlivější na světlo než jiné fotosyntetické stroje, a proto většina výzkumníků tento termín definuje jako poškození PSII způsobené světlem. V živých organismech je fotosystém II poškozený nadměrným osvětlením neustále opravován v důsledku degradace a syntézy proteinu D 1 centra fotosyntetické reakce PSII . Termín fotoinhibice se také používá v širším smyslu, což znamená „dynamická fotoinhibice“, k popisu všech reakcí, které mají za následek snížení účinnosti fotosyntézy , když jsou rostliny vystaveny světlu.
Prvním vědcem, který skutečně změřil úroveň fotoinhibice, byl Bessel Kok, který své výsledky zveřejnil v roce 1956 [1] . Již v raných fázích studia tohoto jevu se ukázalo, že rostliny mají nějaký druh opravného mechanismu, který neustále eliminuje poškození. V roce 1966 Jones a Kok změřili akční spektrum fotoinhibice a zjistili, že největší účinek má ultrafialové světlo [2] . Bylo také zjištěno, že ve viditelné části spektra byl vrchol fotoinhibice v červené oblasti. V 80. letech se fotoinhibice stala populárním tématem mezi výzkumníky fotosyntézy a znovu byl objeven koncept poškození a opravy. Výzkum začal prací Kyle Ohada a Arntzena z roku 1984, ve které ukázali, že fotoinhibice je doprovázena selektivní ztrátou 32-kDa proteinu, později identifikovaného jako D 1 protein [3] . Fotosenzitivita PSII s chemicky inaktivovaným komplexem oxidujícím vodu byla studována v 80. a na počátku 90. let [4] [5] . Článek Imre Wass a kolegové z roku 1992 popsal akceptorovou stranu mechanismu fotoinhibice [6] . Měření rychlosti produkce singletového kyslíku fotosystémem II za podmínek fotoinhibice poskytlo další důkaz ve prospěch akceptorového mechanismu [7] . Koncept opravného cyklu, ve kterém neustále dochází k opravě poškození, se vyvinul a uvažovali o něm Aro et al. v roce 1993 [8] . Od té doby bylo objeveno mnoho podrobností o opravném cyklu, včetně skutečnosti, že FtsH proteáza hraje důležitou roli v degradaci D 1 proteinu [9] . V článku Taestchzhava a Haro z roku 1996 bylo ukázáno, že rychlostní konstanta fotoinhibice je přímo úměrná intenzitě světla, což je v rozporu s dřívějším návrhem, že fotoinhibice je způsobena zlomkem světelné energie, která přesahuje maximální kapacitu fotosyntézy [10] . Následující rok provedla skupina Yitzhaka Ohady experiment na fotoinhibici fotosystému II laserovým pulzem a na základě dat navrhla, že separace náboje by mohla být škodlivá, protože by mohla vést k tvorbě singletového kyslíku [11] . O možném molekulárním mechanismu (nebo mechanismech) fotoinhibice se ve vědecké komunitě neustále diskutuje. Nejnovějším kandidátem je manganový mechanismus navržený v roce 2005 skupinou Esy Taestchzhavy [12] . Podobný mechanismus navrhla skupina Noria Muraty ve stejném roce 2005 [13] .
K fotoinhibici dochází u všech organismů schopných kyslíkové fotosyntézy, od cévnatých rostlin až po sinice [14] [15] . Ve všech případech způsobuje modré světlo silnější účinek než jiné vlnové délky viditelného světla a ze všech vlnových délek má ultrafialové světlo nejsilnější destruktivní účinek [14] . Ve svém jádru je fotoinhibice série fotochemických reakcí, které inhibují konkrétní aktivitu PSII, ale neexistuje shoda ohledně toho, co tyto reakce jsou. První, kdo zpravidla ztrácí svou aktivitu, je komplex oxidující vodu [12] [13] [16] [17] . Inhibice PSII za anaerobních podmínek však vede především k inhibici přenosu elektronů na akceptorové straně PSII (přenos elektronů ze speciálního páru chlorofylů na plastochinon) [6] . UV světlo inhibuje komplex oxidující vodu ještě předtím, než zbytek PSII ztratí svou aktivitu. Fotosystém I (PSI) je méně citlivý na fotopoškození než PSII, ale stále je v průběhu času pomalu inhibován [18] . K fotoinhibici PSI dochází u rostlin citlivých na chlad a závisí na toku elektronů z PSII do PSI.
Fotosystém II je poškozen světlem bez ohledu na jeho intenzitu. Kvantový výtěžek poškozující reakce v typických listech vyšších rostlin nebo v preparátech thylakoidní membrány se pohybuje od 10–8 do 10–7 a nezávisí na intenzitě světla [10] [19] . To znamená, že na každých 10-100 milionů zachycených fotonů je poškozen přibližně jeden komplex fotosystému II . Z těchto údajů vyplývá, že k fotoinhibici dochází při jakékoli intenzitě světla a rychlostní konstanta fotoinhibice je přímo úměrná její intenzitě. Některé výsledky naznačují, že slabé světlo způsobuje ještě větší škody než jasné světlo [11] .
O mechanismu (mechanizmech) fotoinhibice se diskutuje a bylo navrženo několik různých mechanismů [16] . Reaktivní formy kyslíku , zejména singletový kyslík, hrají roli v mechanismu inhibice akceptorové strany fotosystému II, mechanismu singletového kyslíku a mechanismu inhibice slabého světla. Reaktivní formy kyslíku však nehrají přímou roli v mechanismu manganu a v mechanismu inhibice donorové strany fotosystému II. Fotoinhibice PSII vede k tvorbě singletového kyslíku [7] a dalších reaktivních forem kyslíku, které inhibují cyklus opravy PSII potlačením syntézy proteinů v chloroplastech [20] .
Jasné světlo způsobuje redukci plastochinonového poolu , což má za následek protonaci a dvojitou redukci (a dvojitou protonaci) akceptoru elektronů Q A fotosystému II. Protonovaná a zcela redukovaná forma QA se nemůže účastnit transportu elektronů. Nábojová separační reakce v inhibovaném fotosystému II navíc s vysokou pravděpodobností vede k přechodu primárního donoru elektronů ( P 680 ) do tripletového stavu. Triplet P 680 může reagovat s kyslíkem a vytvářet vysoce reaktivní singletový kyslík [6] .
Pokud je komplex oxidující vodu chemicky inaktivován, pak se zbývající prvky transportu elektronů stanou velmi citlivými na světlo [4] [19] . Bylo navrženo, že ani ve zdravých listech komplex oxidující vodu ne vždy funguje ve všech komplexech fotosystému II a ty, ve kterých nefunguje, jsou náchylné k rychlé a nevratné fotoinhibici [21] .
Foton absorbovaný manganovými ionty v manganovém shluku komplexu oxidujícího vodu způsobí jeho inaktivaci. K další inhibici reakcí přenosu elektronů dochází mechanismem inhibice donorové strany. Ve prospěch tohoto mechanismu hovoří údaje o akčním spektru fotoinhibice [12] .
Inhibici fotosystému II způsobuje singletový kyslík, který je tvořen buď slabě konjugovanými molekulami chlorofylu [22] nebo redukovanými cytochromy a železito-sírovými centry [23] .
Separace náboje ve fotosystému II vede ke vzniku tripletu P 680 a v důsledku toho singletového kyslíku a separace náboje je pravděpodobnější při nízké intenzitě světla než při vysoké intenzitě světla [11] .
Pokud je kinetika fotoinhibice měřena v listech, sinicích nebo řasách obarvených linkomycinem nebo v izolované thylakoidní membráně, ve které opravný cyklus nenarušuje kinetiku, pak bude fotoinhibice popsána reakční rovnicí prvního řádu. Údaje ze skupiny C. W. Chowa naznačují, že v listech pepře ( Capsicum annuum ) dochází místo dřívější reakce k pseudorovnováze, i když je opravný cyklus zablokován. Tuto skutečnost lze vysvětlit, pokud předpokládáme, že inhibice části PSII chrání zbývající aktivní reakční centra před poškozením [24] . Viditelné i ultrafialové světlo způsobují fotoinhibici, přičemž první z nich je mnohem škodlivější [12] [23] [25] . Někteří vědci se domnívají, že ultrafialové a viditelné světlo indukuje fotoinhibici prostřednictvím dvou různých mechanismů [26] , zatímco jiní zdůrazňují podobnost mezi inhibičními reakcemi probíhajícími pod vlivem různých vlnových délek [12] [13] .
Vlivem světla dochází u fotosyntetických organismů na světle neustále k fotoinhibici a proto musí vzniklé poškození neustále korigovat [8] . Cyklus opravy fotosystému II probíhá v chloroplastech a sinicích: spočívá v degradaci starého a syntéze nového proteinu PSII D 1 s následnou montáží reakčního centra. Zbytek proteinů fotosystému je recyklován a znovu použit pro sestavení PSII. Díky rychlé opravě nejsou nejreaktivnější místa PSII fotoinhibována, i když je rostlina pěstována v jasném světle. Environmentální stresy, jako jsou extrémní teploty, slanost a sucho, však omezují dodávku oxidu uhličitého do cyklu fixace uhlíku , což snižuje rychlost opravy PSII [27] .
Při studiu fotoinhibice je opravný cyklus často blokován antibiotiky ( linkomycin nebo chloramfenikol ), která zastavují syntézu proteinů v chloroplastech . K syntéze proteinů dochází pouze v nedegradovaném vzorku, takže při měření fotoinhibice v izolovaných membránách není linkomycin potřeba [27] .
Rostliny mají mechanismy, které je chrání před nepříznivými účinky ostrého světla. Nejstudovanější biochemický ochranný mechanismus nefotochemického zhášení excitační energie [28] . Fotoinhibice indukovaná viditelným světlem u mutanta Arabidopsis thaliana bez nefotochemického zhášení probíhá u divokého typu o ~25 % rychleji . Je také zřejmé, že otáčení nebo skládání listů, ke kterému dochází například u kyselého šťovíku v reakci na vystavení jasnému světlu, chrání před fotoinhibicí.
Fotoinhibici lze měřit v izolovaných thylakoidních membránách nebo jejich subfrakcích nebo v intaktních buňkách sinic měřením rychlosti vývoje kyslíku za podmínek plného nasycení světlem a v přítomnosti umělých akceptorů elektronů ( Hillova činidla ).
Stupeň fotoinhibice v neporušených listech lze měřit pomocí fluorometru pro měření poměru proměnné a maximální hodnoty fluorescence chlorofylu a (F V /F M ) [16] . Z tohoto indexu lze odvodit hodnotu pro stupeň fotoinhibice, protože významná část energie se uvolňuje jako chlorofyl a fluorescence za podmínek, kdy mnoho excitovaných elektronů z PSII není přeneseno do akceptoru, ale místo toho se vrací zpět do země. energetický stav.
Před měřením poměru FV / F M by měly být listy inkubovány ve tmě po dobu alespoň 10 minut, nejlépe déle, aby se odstranilo nefotochemické zhášení.
Fotoinhibici lze také vyvolat krátkými záblesky světla pomocí pulzního laseru nebo xenonových výbojek . U velmi krátkých záblesků závisí účinnost fotoinhibice na pauze mezi záblesky [11] . Tato závislost byla vysvětlena skutečností, že záblesky způsobují separaci náboje v PSII, následovanou produkci singletového kyslíku. Interpretace byla kritizována, protože účinnost fotoinhibice způsobené záblesky xenonových výbojek stále závisí na energii záblesku, a to i v případě záblesků tak silných, že nasytí reakci separace náboje [12] .
Někteří výzkumníci dávají přednost definici termínu „fotoinhibice“ tak, aby znamenaly všechny reakce, které snižují kvantový výtěžek fotosyntézy, když je rostlina vystavena světlu [29] [30] . Termín "dynamická fotoinhibice" zahrnuje jevy, které reverzibilně snižují úroveň fotosyntézy ve světle, a termíny "fotopoškození" nebo "ireverzibilní fotoinhibice" pokrývají koncept fotoinhibice přímo spojené s škodlivými účinky světla. Hlavním mechanismem dynamické fotoinhibice je nefotochemické zhášení excitační energie absorbované PSII. Dynamická fotoinhibice je aklimatizace na jasné světelné podmínky, nikoli poškození způsobené světlem, a tak „dynamická fotoinhibice“ ve skutečnosti chrání rostliny před „fotoinhibicí“.
Fotoinhibice může vést k vybělení korálů [27] .