Otkriven evolucijski mehanizam koji posidoniji omogućuje iskorištavanje svjetlosti na morskom dnu
U časopisu Nature Communications objavljeno je novo istraživanje koje otkriva jednu od tajni posidonije (Posidonia oceanica)
Istraživanje pokazuje da je posidonija (Posidonia oceanica) tijekom evolucije razvila iznimno učinkovit fotosintetski sustav koji joj omogućuje bujan rast na dubinama do 50 metara.
Kako Posidonia oceanica uspijeva bujno rasti na dubinama do 50 metara, gdje je svjetlosti iznimno malo, a gotovo je u cijelosti čine plavi dijelovi sunčeva spektra? Odgovor na to pitanje donosi istraživanje znanstvenog tima napuljske Zoološke postaje Anton Dohrn (Stazione Zoologica Anton Dohrn di Napoli – SZN) i Sveučilišta u Veroni, provedeno u suradnji s Nacionalnim istraživačkim vijećem (Consiglio Nazionale delle Ricerche – CNR) i Politehničkim sveučilištem u Milanu (Politecnico di Milano).
Znanstvenici su otkrili specifičnu evolucijsku prilagodbu zahvaljujući kojoj je posidonija optimizirala svoj fotosintetski sustav kako bi maksimalno iskoristila ograničenu količinu svjetlosti koja dopire do morskog dna.
Rezultati istraživanja objavljeni su 16. srpnja u časopisu Nature Communications, a ovo otkriće ne samo da produbljuje naše razumijevanje morskih ekosustava nego otvara i nove mogućnosti za povećanje produktivnosti poljoprivrednih kultura.
Istraživanje pod nazivom „Structural and Spectral Adaptation of the Seagrass Posidonia oceanica Photosystem I to Seabed Light“ pokazuje da je Posidonia oceanica tijekom evolucije izmijenila strukturu svojega fotosustava I te razvila sustav za prikupljanje svjetlosti znatno veći od onoga kod kopnenih biljaka. Istodobno je ubrzala prijenos svjetlosne energije prema reakcijskom središtu fotosinteze. Takva strategija omogućuje joj održavanje vrlo visoke učinkovitosti fotosinteze čak i u morskom okolišu s vrlo ograničenom količinom svjetlosti.
Prije 70 do 100 milijuna godina skupina kopnenih biljaka, među kojima je i Posidonia oceanica, ponovno je kolonizirala morski okoliš. Nakon što su se razvile iz morskih algi i osvojile kopno, više biljke vratile su se životu na morskom dnu te stvorile prostrane podmorske livade, od kojih su neke stare više tisuća godina. Danas one predstavljaju jedan od najvažnijih ekosustava na Zemlji zbog svoje bioraznolikosti, biološke produktivnosti i sposobnosti vezivanja ugljika.
Okoliš u kojem živi Posidonia oceanica iznimno je zahtjevan za biljku kopnenog podrijetla. S povećanjem dubine morska voda gotovo u potpunosti apsorbira crvene i infracrvene fotone, dok uglavnom propušta plavu svjetlost, koja je manje učinkovita za odvijanje fotosinteze. Unatoč tome, ova biljka zadržava iznenađujuće visoku produktivnost, a evolucijska osnova tog fenomena dosad nije bila dovoljno poznata.
Kako bi razjasnili taj mehanizam, istraživački projekt okupio je stručnjake iz područja morske ekologije, biljne fiziologije, molekularne i strukturne biologije te kvantne fizike. Uzorkovanje biljaka na različitim dubinama u okolici otoka Ischije u Napuljskom zaljevu te ekološka i evolucijska istraživanja proveli su Gabriele Procaccini i Irene Olivé iz Zoološke postaje Anton Dohrn.
Zahvaljujući kriogenskoj elektronskoj mikroskopiji u laboratoriju EYE LAB Nacionalnog istraživačkog vijeća (Gennaro Sanità i Emanuela Esposito) pri Institutu ISASI te strukturnim analizama Sveučilišta u Veroni (Antonello Amelii, Zeno Guardini, Stefano Capaldi, Luca Dall'Osto i Roberto Bassi), istraživači su prvi put uspjeli rekonstruirati trodimenzionalnu strukturu fotosustava I posidonije s atomskom rezolucijom.
Analize su pokazale da Posidonia oceanica posjeduje sustav antena, sastavljen od pigmentno-proteinskih kompleksa zaduženih za prikupljanje svjetlosnog zračenja, koji je znatno razvijeniji i složeniji nego kod kopnenih biljaka. Zahvaljujući tome može učinkovitije hvatati malobrojne fotone koji dopiru do morskog dna.
Međutim, razvijeniji sustav antena ima i svoje ograničenje. Svjetlosna energija mora prijeći veći put kako bi stigla do reakcijskog središta fotosustava, koje predstavlja pokretač fotosinteze, čime se povećava rizik od gubitka energije i moguće smanjuje učinkovitost cijelog procesa.
Kako bi razumjeli na koji način Posidonia oceanica nadvladava to ograničenje, istraživači Politehničkog sveučilišta u Milanu (Mattia Russo, Margherita Maiuri i Giulio Cerullo) primijenili su naprednu metodu dvodimenzionalne elektronske spektroskopije (2DES), koja omogućuje praćenje prijenosa energije unutar fotosustava na vremenskoj skali femtosekundi, odnosno milijuntog dijela milijarditog dijela sekunde.
Najvažniji rezultat istraživanja jest otkrivanje iznimno sofisticirane molekularne prilagodbe. Tijekom evolucije posidonija je izgubila određene konfiguracije klorofila koje stvaraju optički fenomen poznat kao „crveni spektralni oblici”, a koje kopnenim biljkama olakšavaju fotosintezu u zasjenjenim šumskim staništima. Umjesto toga razvila je molekularne konfiguracije koje ubrzavaju prijenos energije prema reakcijskom središtu fotosinteze. Na taj način kompenzira veću veličinu sustava antena i vrlo učinkovito iskorištava ograničenu količinu svjetlosti koja dopire do morskog dna.
Značaj ovog istraživanja daleko nadilazi proučavanje morskih ekosustava. Razumijevanje mehanizama koji vrsti Posidonia oceanica omogućuju tako učinkovito iskorištavanje svjetlosti otvara nove mogućnosti za sintetsku biologiju uzgojenih biljaka, čiju je primjenu nedavno odobrio Europski parlament.
Poljoprivredne kulture osmišljene prema uzoru na fotosintetski sustav posidonije mogle bi učinkovitije koristiti raspoloživu svjetlost i povećati prinose bez dodatnog širenja poljoprivrednih površina. To predstavlja osobito zanimljivu perspektivu u vrijeme sve veće potražnje za hranom i sve izraženijih posljedica klimatskih promjena.
Istraživanje je financirano sredstvima Europske unije, među kojima se ističe projekt Advanced Grant „GrinSun“ Europskog istraživačkog vijeća (ERC), čiji su voditelji Roberto Bassi i Luca Dall'Osto, kao i projekt EMBRC-IT „Photo-SEA“, dodijeljen Antonellu Ameliiju i posvećen istraživanju fotosintetskih prilagodbi morskih cvjetnica.
Stjepan Felber | Ekovjesnik
- Dopušteno je citiranje kraćih dijelova članka uz obvezno navođenje autora, izvora i poveznice na izvorni članak. Svako preuzimanje cjelovitog članka ili njegovih većih dijelova bez izričitog odobrenja autora predstavlja povredu autorskih prava.