跳到主要內容

用遠紅光(Far-red light)驅動的光合作用

光合作用(photosynthesis)可以說是世界上最偉大的代謝途徑了。如果沒有它,地球上應該是一片沈寂:沒有植物、也沒有動物。

光合作用的核心,是收取光能的葉綠素(chlorophyll)。葉綠素有abc1c2df六種,除了葉綠素a以外,其他五種的分佈都是比較有限制的。由於葉綠素的構造的關係,它吸收紅光、藍光但是不吸收綠光,所以葉綠素是綠色的。

葉綠素a。圖片來源:維基百科

藍綠藻(cyanobacteria)除了有葉綠素adf之外,還有藻藍蛋白(Phycocyanin)與藻紅蛋白(phycoerythrin)等所構成的輔助色素。由於這些色素蛋白吸收的光波主要在橙、黃、綠波長的位置(500nm-620nm左右),使得藍綠藻在顏色上跟高等植物不同。不過,不管是葉綠素、藻紅蛋白還是藻藍蛋白,利用的都是可見光。

最近賓州州立大學(Penn State)的一群科學家,在溫泉裡面找到一屬藍綠藻Leptolyngbya,這屬的藍綠藻竟然可以使用遠紅光(大於700nm)來進行光合作用!

為什麼科學家們會想到要測試這種藍綠藻使用遠紅光進行光合作用的能力呢?原來它生活在黃石公園附近的LaDuke溫泉中(LaDuke hot spring in Montana, near Yellowstone National Park),上面有2釐米厚的一層細菌。這層細菌隔絕了遠紅光以外所有的光,而這種藍綠藻還能夠生活在這裡,代表它在光合作用上應該有與眾不同的能力。

為了找出這個與眾不同的能力,科學家們將這種藍綠藻在六種不同的光(白光、綠光、紅光、645nm的紅光、710nm的遠紅光、以及遠紅光)下培養之後,再分析它的色素種類與含量。結果發現只有在遠紅光的兩組中發現葉綠素f,而後續的轉錄分析(transcription profiling)顯示,Leptolyngbya藍綠藻可能是經由一個由21個基因組成的集團,來調整在不同光下面的基因表現。

當它暴露在只有遠紅光的環境中時,這21個基因的表現量上昇;而這些基因裡面包含了組成光合作用所需的光系統I、II以及藻膽體(phycobilisome)的蛋白質。相對的,原先用來組成這三個複合體(complex)的基因,他們的表現量在遠紅光下則呈現下降。而蛋白質的分析也確認了在遠紅光下,Leptolyngbya藍綠藻的光系統I、II以及藻膽體裡面的蛋白質已被這21個基因中的部分取代。

也就是說,這種藍綠藻當它的環境只剩下遠紅光可以使用時,它會將與光合作用相關的光系統I、II以及藻膽體重新組合、加入新的蛋白質,以便將自己調整為使用遠紅光來進行光合作用的模式。雖然,藍綠藻早在一百年前就已經被發現,可以依據周圍環境光波長的不同來調整使用的色素(這個現象稱為互補色馴化CCA,complementary chromatic acclimation),但是可以調整成利用遠紅光的模式,倒還是第一遭。

研究團隊在這21個基因集團中找到一個光敏素基因RfpA,雖然他們認為在這種藍綠藻裡面觀察到的遠紅光馴化現象(Far-Red Light Photoacclimation ,FaRLiP)應該是由這個光敏素發動的,但是目前還無法找到缺乏rfpA的突變種,所以這部分也只能說是假說罷了。

有意思的事情是,因為光敏素都是在照射紅光後變為遠紅光吸收態(Pfr),照射遠紅光後變回紅光吸收態(Pr);而這個RfpA蛋白也不例外。但是其他植物的光敏素在Pfr狀態時是有活性的,而Pr狀態實則無。如果RfpA蛋白真如研究團隊所臆測,可以活化這21個基因集團的表現,那麼RfpA到底是哪個型態有活性呢?真是非常的有意思!

(臺大科教中心擁有此文版權,其他單位需經授權始可轉載)

參考文獻:

2014/8/21. Hot-spring bacteria reveal ability to use far-red light for photosynthesis. Science Direct.

Fei Gan, Shuyi Zhang, Nathan C. Rockwell, Shelley S. Martin, J. Clark Lagarias, Donald A. Bryan.2014. Extensive remodeling of a cyanobacterial photosynthetic apparatus in far-red light.Science. DOI: 10.1126/science.1256963

留言

這個網誌中的熱門文章

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯( Ipomoea batatas )從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎? 圖片來源: 農委會 上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔! 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢! 至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉! 最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔! 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔! 參考文獻: 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。

光合作用的循環電子傳遞(cyclic electron flow)的調節

  圖片來源:維基百科 光合作用(photosynthesis)分為光反應(light reaction)與碳反應(Calvin-Benson cycle)。其中光反應為將陽光的光能轉換為化學能(ATP)與電子(NADPH)的過程。光能由光系統I或光系統II接收並轉換為電子進行傳遞,傳遞的過程中部分的能量被細胞色素b6f複合體(cytochrome b6f complex)擷取,提供植物將氫離子(H + ,proton)由葉綠體的基質(stroma)運輸到類囊體腔(thylakoid lumen)中,製造氫離子梯度(proton gradient),以提供ATP合成酶(ATP synthase)用來合成ATP;電子本身最後被傳送給NADP,產生NADPH用來在碳反應中做為還原電子使用。 上述的過程(稱為線性電子傳遞linear electron flow)並非光反應唯一會進行的反應。除了線性電子傳遞,植物也會進行所謂的循環電子傳遞(cyclic electron flow):電子在由光系統II→細胞色素b6f複合體 →光系統I之後,不將電子運送給Fd-NADP + 還原酶來產生NADPH,而是將電子送給一個Fd-PQ還原酶。由於接著Fd-PQ還原酶會把電子交還給細胞色素b6f複合體,所以被稱為循環電子傳遞。 循環電子傳遞到底有什麼樣的功能,目前還沒有定論。有些科學家認為植物用它來調節能量(ATP)與電子(NADPH)的產生比率,也有些科學家認為循環電子傳遞有保護植物免於被過量光能傷害的功能。不管怎麼說,近年來的研究卻發現了幾個基因與循環電子傳遞的調節有關。 第一個被發現的基因是 PGR5 (PGR=protein gradient)。缺少 PGR5 的阿拉伯芥無法形成氫離子梯度,也就是說 PGR5 為光反應所必須。但是 PGR5 長得一點都不像電子運輸蛋白,這就引起了科學家們的興趣。 後續的研究發現了另一個基因稱為 PGRL1 (PGR5-like 1)。研究團隊發現,缺少 PGRL1 會造成 PGR5 不穩定,但缺少 PGR5 並不會影響 PGRL1 的穩定性。 最近又發現了另一個基因 PGRL2 。研究團隊發現,缺少 PGRL2 對光合作用沒有影響,但是在植物中過量表現 PGRL2 會使 PGR5 的穩定性下降。同時缺少 PGRL2 與 PGRL1 的植...

吃太多光果甘草(liquorice)會有不良作用

  光果甘草。圖片來源: 維基百科 。 光果甘草(liquorice, Glycyrrhiza glabra )又稱為洋甘草,為豆科甘草屬下的一個種,在中國、西亞與南歐都有分布。一般人們會取它的根來製作糖果,在歐美蠻受歡迎的。英文名稱liqurice來自於希臘文的 glycyrrhiza ,意思就是「甜的根」:「 glukus 」意為「甜」,「 rhiza 」意為「根」。它也是中藥甘草的一種,乾燥的根及根莖性味偏涼,加工(蜜炙)後則性味偏溫,各有不同功效。 光果甘草除了可以用來製作糖果,也用於傳統醫學與草藥學。但是光果甘草含有甘草酸(Glycyrrhizin 或 glycyrrhizic acid),如每日每公斤體重服用超過2毫克(2 mg/kg/day)可導致低血鉀、血壓上升、肌肉無力等症狀。 最近發表在《新英格蘭醫學雜誌》上的 一篇文章 提到,一位54歲的建築工人,因為每天吃一包半的光果甘草糖,連吃了幾個星期,結果死於突發的心臟驟停(cardiac arrest)。 醫師認為他的死亡與甘草酸有關。甘草酸是一種皂素(saponin),屬於植物的次級代謝物,由一分子的甘草次酸(glycyrrhetinic acid)與兩分子的葡萄糖醛酸(Glucuronic acid)組成。 甘草糖。圖片來源: 維基百科 。 雖然醫師認為他的死亡與食用大量的甘草糖脫不了關係,但醫師也注意到死者的飲食並不健康。他一向吃很多糖,只是最近幾週改吃甘草糖。 光果甘草與中藥的甘草( G. uralensis )是近親,兩者同屬不同種。中藥的甘草也含有甘草酸,幸好華人文化裡並沒有把甘草做成糖果的習慣,所以應該不會發生甘草酸中毒的情形。 補充:2020/10/10發現了一個影片,裡面提到這個病例以及甘草酸致死的機轉:因為甘草酸的結構跟皮質醇(cortisol)很像,所以會引發類似的效應。 影片裡面提到,現在在美國要買到真的liquorice其實並不容易,大部分都是人工甘味...所以這位仁兄真的很厲害可以買到真的liquorice。 2022/04/07:最近有一篇研究報告提到,甘草酸與甘草次酸有抗癌的活性,而且還能抑制SARS-CoV2的複製。看起來很有趣,但考慮到甘草酸與甘草次酸的毒性,似乎還是要小心使用比較好。 參考文獻: Case 30-2020: A 54-Year-Old ...