Barrträd vintergröna tack vare fotosyntetisk kortslutning

Den gröna växtens klorofyll absorberar ljus också på vintern, men energin kan inte användas till fotosyntes eftersom biokemiska reaktioner inte fungerar i minusgrader. Detta innebär ett extra stort problem om våren när temperaturen fortfarande kan vara låg men solen stark, och överskottsenergin kan skada proteinerna i fotosyntesapparaten.

Forskningen har tidigare inte haft något bra svar på varför barrträden har kvar sina barr över vintern, men nu visar internationellt forskarteam, där forskare från bland annat Umeå Plant Science Centre, UPSC, vid Umeå universitet ingår, att fotosyntesapparaten kopplas ihop på ett speciellt sätt i tallbarr om vintern vilket gör att de kan vara gröna året om.

Kortslutning som skyddar

De två fotosystemen (fotosystem I och II) som absorberar ljus och omvandlar det till kemisk energi hålls under normala förhållanden åtskilda för att inte kortslutas utan ge en effektiv fotosyntes. På vintern omorganiseras det så kallade tylakoidmembranet, där fotosystemen finns, så att dessa kan komma i direkt fysisk kontakt. Forskarteamet visar att under vinterförhållanden kan fotosystem II föra över sin energi direkt till fotosystem I, och denna kortslutning skyddar klorofyllet och proteinerna i barren under tuffa förhållanden.

– Vi har följt flera tallar i Umeå över tre år. Det var nödvändigt att analysera barr som kom ”direkt utifrån” innan de hann anpassa sig till den högre temperaturen på labbet. Vi använde till exempel elektronmikroskopi för att se och mäta tylakoidmembranens struktur, säger Pushan Bag, doktorand på Institutionen för fysiologisk botanik vid Umeå universitet.

Alla växter har säkerhetsventiler för att hantera överskottsljus. Dess energi omvandlas till antingen värme eller fluorescence. Men bara barrträd verkar ha så effektiva ventiler att de klarar av att övervintra gröna ovan snön.

Ultrasnabb analys av överskottsljus

Forskarna kombinerade biokemi med ultrasnabb fluorescensanalys, en sofistikerad metod som kan mäta ljus med pikosekundprecision. På detta sätt kunde man visa hur tallens barr hanterar överskottljuset och därmed skyddar fotosyntesapparaten från skador.

– Vi blev tvungna att bygga om utrustningen för att kunna analysera tallbarren vid låg temperatur. Vi prövade också granbarr men lyckades inte få resultat från dem; de passade inte in i mätutrustningen på ett bra sätt, säger Dr. Volha Chukhutsina vid Vrije Universiteit Amsterdam.

Kollegan Alfred Holzwarth, som utvecklat apparaturen för den ultrasnabba analysen, lägger till:

– Tallbarrens extrema anpassning till vintern gjorde det möjligt för oss att studera denna kortslutningsmekanism, vilken också kallas spill-over.

Gäller troligen även gran

Studien gjordes på tallbarr, men forskarna tror att samma mekanism går att finna hos andra barrträd, till exempel granen som i Sverige ”står så grön och grann i stugan” på julafton, eftersom alla barrträd har så lika fotosyntesapparater.

– Denna fantastiska anpassning gläds vi åt inte bara i juletid utan den är också mycket viktig för människan i stort. Hade inte barrträden utvecklat egenskaper för att överleva i vårt klimat hade stora delar av norra halvklotet vara svårt att befolka eftersom barrträden har försett oss med brännved, byggnadsmaterial och andra nödvändigheter. Än i dag utgör barrträden ryggraden för ekonomin i stora delar av Europa, Asien och Nordamerika, säger Stefan Jansson, professor i växters cell- och molekylärbiologi på Umeå Plant Science Centre vid Umeå universitet.

Vetenskaplig artikel:

Direct energy transfer from photosystem II to photosystem I confers winter sustainability in Scots Pine, (Bag P., Chukhutsina V., Zhang Z., Paul S., Ivanov A.G., Shutova T., Croce R., Holzwarth A.R., Jansson S.,2020), Nature Communications

Kontakt:

Stefan Jansson, professor vid Institutionen för fysiologisk botanik, Umeå Plant Science Centre, Umeå universitet, stefan.jansson@umu.se