Roberta Croce, hoogleraar biofysica van fotosynthese aan de Vrije Universiteit in Amsterdam, noemt het fenomeen waar haar groep nieuw licht op wierp ‘een bizar verschijnsel’, omdat het nogal contra-intuïtief is. ‘Bij een te hoge lichtintensiteit neemt de efficiëntie van fotosynthese af’, zegt Croce. ‘Dat proces kennen we als foto-inhibitie. Onder deze omstandigheden verwacht je dat een groot deel van de geabsorbeerde energie weer wordt uitgestraald als fluorescentie, maar het tegengestelde gebeurt: tijdens foto-inhibitie neemt de fluorescentie juist áf.’

‘Ons werk is grotendeels in vivo gedaan en heeft dus direct biologische relevantie’

Alg uit Parijs

Deze zogeheten photoinhibition quenching (q_I) was al langer bekend, maar niemand begreep de moleculaire achtergrond. Wojciech Nawrocki, postdoc in Croce’s groep, wilde het wel gaan uitzoeken op basis van de fotosynthese in de ééncellige groene alg Chlamydomonas reinhardtii. Hij kreeg voor de modellering hulp uit Dallas (VS) en een noodzakelijke mutant van de alg kwam uit Parijs. Hun bevindingen verschenen onlangs in Science Advances.

Een plant of een ander fotosynthetiserend organisme kan bij hoge lichtintensiteit razendsnel verschillende biochemische aanpassingen doorvoeren zodat een deel van de foton-energie wordt weggeleid en de chlorofyl-pigmenten niet overbelast raken. ‘Dit werkt echter maar tot op zekere hoogte’, zegt Croce. ‘Uiteindelijk zal het feit dat een groot deel van de energie niet door chlorofyl kan worden gebruikt voor fotochemie, leiden tot de vorming van zuurstofradicalen.’

Verwoestend

Die zuurstofradicalen hebben vooral een verwoestende uitwerking op fotosysteem II (PSII), het complex dat water splitst (zie kader). Hierdoor, en door directe schade van blauw en uv-licht, ontstaat foto-inhibitie: de productiviteit van de fotosynthese daalt. ‘We ontdekten dat die schade waarschijnlijk wordt veroorzaakt door singletzuurstof (een zeer reactieve variant van O₂, red.) en vooral optreedt in het reactiecentrum van PSII, waar licht wordt omgezet in chemische energie.’

‘Het kapotte reactiecentrum is tegelijkertijd de quencher’

Maar dat is niet het enige. De schade in het reactiecentrum – de onderzoekers vermoeden dat het specifiek gaat om chlorofyl Chl_D1, de primaire donor van het systeem – blijkt ook de oorzaak van photoinhibition quenching. ‘Zodra de beschadigde component volledig door de cel is afgebroken en opgeruimd, verdwijnt ook de quenching’, zegt Croce. ‘Het kapotte reactiecentrum is dus tegelijkertijd de quencher.’ Dat q_I wordt veroorzaakt door de beschadigde PSII-componenten is tegengesteld aan wat iedereen hiervoor dacht.

Gewassen beschermen

Het verhaal is nog lang niet af. ‘It is of little surprise that photoinhibition, damaging one of the most complex enzymes in biology, is itself a complicated process’, schrijven de auteurs in hun discussie. Croce: ‘Een deel van de schoonheid van het werk in onze publicatie is dat het grotendeels in vivo is gedaan en dat het dus direct biologische relevantie heeft. Maar onze volgende proeven gaan we in vitro doen, want dan kunnen we het systeem vereenvoudigen en daardoor veel preciezer meten.’

Een beter begrip van foto-inhibitie en van het herstel van beschadigde componenten van PSII als gevolg van een te grote lichtintensiteit, is ontzettend relevant, aldus Croce. ‘Door klimaatverandering krijgen veel gewassen die belangrijk zijn voor voedselproductie meer zonlicht te verwerken. Daar zijn ze niet op aangepast en dat kan resulteren in lagere opbrengsten. Misschien lukt het in de toekomst om planten met DNA-precisietechnieken beter te beschermen tegen te intens zonlicht om zo de opbrengst op peil te houden of zelfs te verhogen.’