Fotoinhibering er en lysinduceret reduktion i den fotosyntetiske aktivitet af planter , alger eller cyanobakterier . Fotosystem II (PSII) er mere følsomt over for lys end andre fotosyntetiske maskiner, hvorfor de fleste forskere definerer begrebet som lysinduceret skade på PSII. I levende organismer repareres fotosystem II, der er beskadiget af overdreven belysning, konstant på grund af nedbrydning og syntese af protein D 1 fra PSII - fotosyntetiske reaktionscenter . Udtrykket fotoinhibering bruges også i en bredere betydning, hvilket betyder "dynamisk fotoinhibering", til at beskrive alle reaktioner, der resulterer i et fald i effektiviteten af fotosyntesen , når planter udsættes for lys.
Den første videnskabsmand, der rent faktisk målte niveauet af fotoinhibering, var Bessel Kok, som offentliggjorde sine resultater i 1956 [1] . Allerede i de tidlige stadier af undersøgelsen af fænomenet blev det indlysende, at planter har en form for reparationsmekanisme, der konstant eliminerer skader. I 1966 målte Jones og Kok aktionsspektret af fotoinhibering og fandt ud af, at ultraviolet lys havde den største effekt [2] . Det blev også fundet, at i den synlige del af spektret var toppen af fotoinhibering i det røde område. I 1980'erne blev fotoinhibering et populært emne blandt fotosynteseforskere, og begrebet skade og reparation blev genopdaget. Forskningen startede med et papir fra 1984 af Kyle Ohad og Arntzen, hvori de viste, at fotoinhibering er ledsaget af et selektivt tab af et 32-kDa-protein, senere identificeret som D 1 -proteinet [3] . Lysfølsomheden af PSII med et kemisk inaktiveret vandoxiderende kompleks blev undersøgt i 1980'erne og begyndelsen af 1990'erne [4] [5] . Et papir fra 1992 af Imre Wass og kolleger beskrev acceptorsiden af fotoinhiberingsmekanismen [6] . Måling af hastigheden af produktionen af singlet oxygen med fotosystem II under fotoinhiberingsbetingelser gav yderligere beviser til fordel for en acceptormekanisme [7] . Begrebet reparationscyklus, hvor reparation af skader konstant forekommer, har udviklet sig og blev overvejet af Aro et al. i 1993 [8] . Siden da er mange detaljer om reparationscyklussen blevet opdaget, herunder det faktum, at FtsH- proteasen spiller en vigtig rolle i nedbrydningen af D 1 -proteinet [9] . I et papir fra 1996 af Taestchzhava og Haro blev det vist, at fotoinhiberingshastighedskonstanten er direkte proportional med lysintensiteten, hvilket modsiger et tidligere forslag om, at fotoinhibering er forårsaget af en brøkdel af lysenergi, der overstiger den maksimale fotosyntesekapacitet [10] . Året efter gennemførte Yitzhak Ohadas gruppe et eksperiment med fotoinhibering af fotosystem II ved hjælp af en laserpuls, og baseret på dataene foreslog de, at ladningsadskillelse kunne være skadelig, da det kunne føre til dannelsen af singlet-ilt [11] . Den mulige molekylære mekanisme (eller mekanismer) af fotoinhibering diskuteres konstant i det videnskabelige samfund. Den nyeste kandidat er manganmekanismen foreslået i 2005 af Esa Taestchzhavas gruppe [12] . En lignende mekanisme blev foreslået af Norio Muratas gruppe i samme 2005 [13] .
Fotoinhibering forekommer i alle organismer, der er i stand til oxygenisk fotosyntese, fra karplanter til cyanobakterier [14] [15] . I alle tilfælde forårsager blåt lys en stærkere effekt end andre bølgelængder af synligt lys, og af alle bølgelængder har ultraviolet lys den stærkeste destruktive effekt [14] . I sin kerne er fotoinhibering en række fotokemiske reaktioner, der hæmmer en bestemt PSII-aktivitet, men der er ingen konsensus om, hvad disse reaktioner er. Den første, der mister sin aktivitet, er som regel det vandoxiderende kompleks [12] [13] [16] [17] . PSII-hæmning under anaerobe forhold resulterer dog hovedsageligt i hæmning af elektronoverførsel på acceptorsiden af PSII (elektronoverførsel fra et specielt par klorofyler til plastoquinon) [6] . UV-lys hæmmer det vandoxiderende kompleks, selv før resten af PSII mister sin aktivitet. Fotosystem I (PSI) er mindre følsomt over for fotoskader end PSII, men hæmmes stadig langsomt over tid [18] . PSI-fotoinhibering forekommer i kuldefølsomme planter og afhænger af elektronstrømmen fra PSII til PSI.
Fotosystem II beskadiges af lys, uanset dets intensitet. Kvanteudbyttet af den skadelige reaktion i typiske blade af højere planter eller i thylakoidmembranpræparater varierer fra 10-8 til 10-7 og afhænger ikke af lysintensiteten [10] [19] . Det betyder, at ca. ét fotosystem II-kompleks bliver beskadiget for hver 10-100 millioner fotoner , der fanges . Det følger af disse data, at fotoinhibering forekommer ved enhver lysintensitet, og hastighedskonstanten for fotoinhibering er direkte proportional med dens intensitet. Nogle resultater indikerer, at svagt lys forårsager endnu mere skade end stærkt lys [11] .
Mekanismen/mekanismerne for fotoinhibering er under diskussion, og flere forskellige mekanismer er blevet foreslået [16] . Reaktive oxygenarter , især singlet-oxygen, spiller en rolle i mekanismen for inhibering af acceptorsiden af fotosystem II, singlet-oxygenmekanismen og inhiberingsmekanismen for lavt lys. Imidlertid spiller reaktive oxygenarter ikke en direkte rolle i manganmekanismen og i mekanismen for inhibering af donorsiden af fotosystem II. Fotoinhibering af PSII fører til dannelsen af singlet oxygen [7] og andre reaktive oxygenarter, som hæmmer PSII reparationscyklussen ved at undertrykke proteinsyntesen i kloroplasten [20] .
Kraftig lys forårsager reduktion af plastoquinonpuljen , hvilket resulterer i protonering og dobbeltreduktion (og dobbeltprotonering) af elektronacceptoren QA i Photosystem II. Den protonerede og fuldstændig reducerede form for QA kan ikke deltage i elektrontransport. Hertil kommer, at ladningsseparationsreaktionen i det hæmmede fotosystem II med stor sandsynlighed fører til overgangen af den primære elektrondonor ( P 680 ) til triplettilstanden. Triplet P 680 kan reagere med ilt og danne højreaktivt singlet ilt [6] .
Hvis det vandoxiderende kompleks er kemisk inaktiveret, så bliver de resterende elektrontransportelementer meget lysfølsomme [4] [19] . Det er blevet foreslået, at selv i et sundt blad fungerer det vandoxiderende kompleks ikke altid i alle komplekser af fotosystem II, og dem, hvor det ikke virker, er tilbøjelige til hurtig og irreversibel fotoinhibering [21] .
En foton absorberet af manganioner i manganklyngen af det vandoxiderende kompleks forårsager dens inaktivering. Yderligere inhibering af elektronoverførselsreaktioner sker ved mekanismen for inhibering af donorsiden. Data om virkningsspektret af fotoinhibering taler til fordel for denne mekanisme [12] .
Hæmningen af fotosystem II er forårsaget af singlet oxygen, som dannes enten af svagt konjugerede klorofylmolekyler [22] eller af reducerede cytokromer og jern-svovlcentre [23] .
Ladningsadskillelse i fotosystem II fører til fremkomsten af triplet P 680 og, som en konsekvens, singlet oxygen, og ladningsadskillelse er mere sandsynlig ved lav lysintensitet end ved høj lysintensitet [11] .
Hvis kinetikken af fotoinhibering måles i blade, cyanobakterier eller alger farvet med lincomycin eller i en isoleret thylakoidmembran, hvor reparationscyklussen ikke forstyrrer kinetikken, så vil fotoinhibering blive beskrevet ved en førsteordens reaktionsligning. Data fra C. W. Chows gruppe indikerer, at der i peberblade ( Capsicum annuum ) i stedet for den tidligere reaktion er en pseudo-ligevægt, selv når reparationscyklussen er blokeret. Dette faktum kan forklares, hvis vi antager, at inhiberingen af en del af PSII beskytter de resterende aktive reaktionscentre mod beskadigelse [24] . Både synligt og ultraviolet lys forårsager fotoinhibering, hvor førstnævnte er meget mere skadelig [12] [23] [25] . Nogle forskere mener, at ultraviolet og synligt lys inducerer fotoinhibering gennem to forskellige mekanismer [26] , mens andre understreger ligheden mellem hæmningsreaktioner, der opstår under indflydelse af forskellige bølgelængder [12] [13] .
Under påvirkning af lys sker der konstant fotoinhibering i fotosyntetiske organismer i lyset og derfor skal de hele tiden rette op på den resulterende skade [8] . Reparationscyklussen af fotosystem II forekommer i kloroplaster og cyanobakterier: den består i nedbrydningen af det gamle og syntesen af det nye PSII D 1 -protein efterfulgt af samlingen af reaktionscentret. Resten af fotosystemproteinerne genbruges og genbruges til PSII-samling. På grund af hurtig reparation fotoinhiberes de mest reaktive PSII-steder ikke, selvom planten dyrkes i stærkt lys. Imidlertid begrænser miljøbelastninger såsom ekstreme temperaturer, saltholdighed og tørke tilførslen af kuldioxid til kulstoffikseringscyklussen , hvilket reducerer hastigheden af PSII-reparation [ 27] .
I studiet af fotoinhibering blokeres reparationscyklussen ofte med antibiotika ( lincomycin eller chloramphenicol ), som stopper proteinsyntesen i kloroplasten . Proteinsyntese forekommer kun i den ikke-nedbrudte prøve, så lincomycin er ikke nødvendig, når fotoinhibering måles i isolerede membraner [27] .
Planter har mekanismer, der beskytter dem mod de negative virkninger af stærkt lys. Den mest undersøgte biokemiske beskyttelsesmekanisme for ikke- fotokemisk excitationsenergislukning [ 28] . Fotoinhibering induceret af synligt lys i Arabidopsis thaliana -mutanten uden ikke-fotokemisk quenching forekommer ~25% hurtigere i vildtypen . Det er også tydeligt, at vending eller foldning af blade, som f.eks. forekommer i sur syre som reaktion på eksponering for stærkt lys, beskytter mod fotoinhibering.
Fotoinhibering kan måles i isolerede thylakoidmembraner eller deres underfraktioner eller i intakte cyanobakterielle celler ved at måle hastigheden af oxygenudvikling under betingelser med fuld lysmætning og i nærvær af kunstige elektronacceptorer ( Hill's reagents ).
Graden af fotoinhibering i intakte blade kan måles ved hjælp af et fluorometer til at måle forholdet mellem den variable og maksimale klorofyl a -fluorescensværdi (F V /F M ) [16] . Ud fra dette indeks kan man udlede en værdi for graden af fotoinhibering, da en væsentlig del af energien frigives som klorofyl a fluorescens under forhold, hvor mange exciterede elektroner fra PSII ikke overføres til acceptoren, men i stedet går tilbage til jorden energitilstand.
Før måling af F V /F M -forholdet , skal bladene inkuberes i mørke i mindst 10 minutter, og helst længere, for at fjerne ikke-fotokemisk quenching.
Fotoinhibering kan også induceres med korte lysglimt ved hjælp af en pulserende laser eller xenon flash-lamper . For meget korte blink afhænger effektiviteten af fotoinhibering af pausen mellem blinkene [11] . Denne afhængighed blev forklaret af det faktum, at blink forårsager ladningsadskillelse i PSII, efterfulgt af produktion af singlet oxygen. Fortolkningen er blevet kritiseret, fordi effektiviteten af fotoinhibering forårsaget af xenonlampeblink stadig afhænger af blitzenergien selv med blink, der er så stærke, at de mætter ladningsadskillelsesreaktionen [12] .
Nogle forskere foretrækker at definere udtrykket "fotoinhibering" til at betyde alle reaktioner, der reducerer fotosyntesens kvanteudbytte, når planten udsættes for lys [29] [30] . Udtrykket "dynamisk fotoinhibering" indbefatter fænomener, der reversibelt reducerer niveauet af fotosyntese i lyset, og udtrykkene "fotobeskadigelse" eller "irreversibel fotoinhibering" dækker over begrebet fotoinhibering forbundet direkte med lysets skadelige virkninger. Hovedmekanismen for dynamisk fotoinhibering er ikke-fotokemisk quenching af excitationsenergi absorberet af PSII. Dynamisk fotoinhibering er akklimatisering til skarpe lysforhold, ikke lysinduceret skade, og så "dynamisk fotoinhibering" beskytter faktisk planter mod "fotoinhibering".
Fotoinhibering kan føre til koralblegning [27] .