مدل‌سازی کینتیکی فرایند کاهندگی غیر‌فتوشیمیایی فتوسنتز در پاسخ به تغییر شرایط نوری در گیاه آرابیدوپسیس از دیدگاه زیست‌شناسی سیستمی

پژوهشهای زراعی ایران

مقاله 5، دوره 14، شماره 2 - شماره پیاپی 42، تیر 1395، صفحه 329-342   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/gsc.v14i2.39666

نویسندگان

سمیه حیدری^{* 1}؛ سید حسن مرعشی¹؛ سعید ملک زاده شفارودی¹؛ مصطفی قادری زفره ای²

¹دانشگاه فردوسی مشهد

²دانشگاه یاسوج

چکیده

کارایی فتوسنتز به‌میزان زیادی به‌شرایط محیط زندگی گیاه بستگی دارد. گیاهان در شرایط طبیعی، به‌سرعت در معرض تغییر شرایط نوری می‌باشند، برای مقابله با چنین‌نوساناتی و بهره‌برداری مؤثر از انرژی نورانی در‌دسترس و به‌طور هم‌زمان به‌حداقل‌رساندن خسارات ناشی از شدت نور بالا به‌دستگاه فتوسنتزی، مکانیسم‌های سازگاری در آن‌ها گسترش یافته‌است. کاهندگی غیر‌فتوشیمیایی یک‌مکانیسم مهم است که انرژی اضافی را به‌صورت حرارت از گیاه خارج می‌کند. در این مقاله، مدل ریاضی بسیار ساده‌ای توسعه داده‌شده است که توصیف دقیق‌تری از این فرایند ارائه‌نموده و قادر به پیش‌بینی اجزای مختلف و پارامترهای مربوط به‌آن می‌باشد. مقایسه نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی نشان‌داد که کمپلکس برداشت‌نوری پروتونه‌شده و زآزانتین به‌طور هم‌زمان در القا و خاموشی فرایند NPQ عمل می‌کنند. نتایج حاصل می‌تواند به‌عنوان پایه تئوری مناسبی برای توسعه مدل‌های دقیق‌تر و مطالعه مکانیزم‌های مولکولی فرایند سازگاری دستگاه فتوسنتز به تغییر شرایط نوری، مورد‌استفاده قرار‌گیرد.

کلیدواژه‌ها

آرابیدوپسیس؛ فتوسنتز؛ کاهندگی غیر فتوشیمیایی؛ مدل‌سازی

مراجع

1- Barber, J., and Andersson, B. 1992. Too much of a good thing: light can be bad for photosynthesis. Trends in Biochemical Sciences, 17(2), 61–66. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16083413.

2- Belyaeva, N. E., Schmitt, F., Steffen, R. V. Paschenko, Z., Riznichenko, G. Yu., Chemeris, Yu. K., Renger, G., Rubin, A. B., et al. 2008. PS II model-based simulations of single turnover flash- induced transients of fluorescence yield monitored within the time domain of 100 ns–10 s on dark-adapted Chlorella pyrenoidosa cells. Photosynth Research 98:105–119.

3- Cruz, J. A., Sacksteder, C. A., Kanazawa, A., and Kramer, D. M. 2001. Contribution of electric field (Delta psi) to steady-state transthylakoid proton motive force (pmf ) in vitro and in vivo control of pmf parsing into Delta psi and Delta pH by ionic strength. Biochemistry 40:1226–1237.

4- Demmig-Adams, B. 1990. Carotenoids and photoprotec- tion in plants: a role for the xanthophyll zeaxanthin. Biochimistry Biophysics Acta 1020: 1–24

5- Dietzel, L., Brautigam, K., Pfannschmidt, Th. 2008. Photosynthetic acclimation: State transitions and adjustment of photosystem stoichiometry – functional relationships between short-term and long-term light quality acclimation in plants. FEBS Journal 275: 1080–1088.

6- Ebenhoh, O., Houwaart, T., Lokstein, H., Schlede, S. and Tirok, K. 2011. A minimal mathematical model of nonphotochemical quenching of chlorophyll fluorescence. Biosystems 103(2): 196-204.

7- Finazzi, G., Johnson, G. N., Dallosto, L., Joliot, P., Osto, L. D., and Bassi, R. 2004. A zeaxanthin-independent nonphotochemical quenching mechanism localized in the photosystem II core complex. proceedings of the national academy of sciences of america 17:101(33): 12375-80.

8- Gilmore, A.M., Mohanty, N., Yamamoto, H.Y., 1994. Epoxidation of zeaxanthin and antheraxanthin reverses non-photochemical quenching of photosystem II chlorophyll a fluorescence in the presence of trans-thylakoid delta pH. FEBS Letters 350: 271–274.

9- Horton, P., Ruban, A. V., and Walters, R. G. 1996. Regulation of Light Harvesting in Green Plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 47: 655–684.

10- Jahns, P., and Holzwarth, A. R. 2012. The role of the xanthophyll cycle and of lutein in photoprotection of photosystem II. Biochimica et Biophysica Acta 1817(1): 182–93.

11- Johnson, M.P., Davison, P.A., Ruban, A.V., and Horton, P. 2008. The xanthophyll cycle pool size controls the kinetics of non-photochemical quenching in Arabidopsis thaliana. FEBS Letter 582: 262–266.

12- Kalituho, L., Beran, K. C., and Jahns, P. 2007. The Transiently Generated Nonphotochemical Quenching of Excitation Energy in Arabidopsis Leaves Is Modulated by Zeaxanthin. Plant Physiology 143(4): 1861–1870.

13- Kuvykin, I.V., Vershubskii, A.V., Priklonskii, V.I., Tikhonov, A.N. 2009. Computer simulation study of pH-dependent regulation of electron transport in chloroplasts. Biophysics 54:455–464.

14- Laisk, A., Eichelmann H., Oja V. 2006. C3 photosynthesis in silico.Photosynthesis Research, 90: 45–66.

15- Muller, P., Li X., and Niyogi, K. K. 2001. Non-Photochemical Quenching . A Response to Excess Light Energy Plant Physiology 125(4): 1558-1566.

16- Murchie, E. H., Pinto, M., and Horton, P. 2009. Agriculture and the new challenges for photosynthesis research. New Phytologist 181: 532–552.

17- Niyogi, K.K. 1999. Photoprotection revisited: genetic and molecular approaches. Annual Revolutionof Plant Physiology Plant Molecular Biology 50: 333–359.

18- Niyogi, K. K. 2000. Safety valves for photosynthesis. Current Opinion in Plant Biology, 3:455–460.

19- Pfau, T., Christian, N., and Ebenhoh, O. 2011. Systems approaches to modelling pathways and networks. Briefings in Functional Genomics 10(5): 266–79.

20- Pfündel, E.E., Dilley, R.A. 1993. The pH dependence of violaxanthin deepoxidation in isolated pea chloroplasts. Plant Physiology 101: 65–71.

21- Rapoport, T.A., Heinrich, R., Rapoport, S.M. 1976. The regulatory principles of glycolysis in erythrocytes in vivo and in vitro. Biochemistry Journal 154(2):449–69.

22- Ruban, A.V., Wentworth, M., Horton, P. 2001. Kinetic analysis of nonphotochemical quenching of chlorophyll fluorescence. 1. Isolated chloroplasts. Biochemistry 40: 9896–9901.

23- Ruban, A. V, Berera, R., Ilioaia, C., van Stokkum, I. H. M., Kennis, J. T. M., Pascal, A. A, van Grondelle, R. 2007. Identification of a mechanism of photoprotective energy dissipation in higher plants. Nature 450(7169): 575–8.

24- Pfau, T., Christian, N. and Ebenhoeh, O. 2011. Systems approaches to modeling pathways and networks. Briefings In Functional Genomics 10 (5): 266-279.

25- Jahns, P., Holzwarth, A.R. 2012. The role of the xanthophylls cycle and of lutein in photoprotection of photosystem II. Biochimica et Biophysica Acta 1817: 182–193.

26- vanKooten, O., Snel, J., Vredenberg, W.J. 1986 Photosynthetic free energy transduction related to the electric potential changes across the thylakoid membrane. Photosynthesis Research 9:211–227.

27- Zhu, X.G, et al. 2005. Chlorophyll a fluorescence induction kinetics in leaves predicted from a model describing each discrete step of excitation energy and electron transfer associatedwith Photosystem II. Planta 223:114–133.

28- Zhu, X.G., Govindjee Baker, N.R., deSturler, E., Ort, D.O., Long, S.P. 2005. Chlorophyll a fluorescence induction kinetics in leaves predicted from a model describing each discrete step of excitation energy and electron transfer associated with photosystem II. Planta 223: 114–133.

29- Zhu, X. G. 2008. Systems biology of photosynthesis, www.photobiology.info

30- Zaks, J., Amarnath, K., Kramer, D. M., Niyogi, K. K., and Fleming, G. R. 2012. A kinetic model of rapidly reversible nonphotochemical quenching. Proc Natl Acad Sci USA 109(39): 15757-15762