Informație

Toate plantele fotosintetizează cu o eficiență egală?


Exact ceea ce afirmă titlul.

Având în vedere condiții identice, necesare și favorabile (probabil nutrienți, umiditate și lumină, dar ceea ce vreau să spun este tot necesar cerințele sunt îndeplinite) - Este fotosinteza la fel de eficientă în ceea ce privește cantitatea de zahăr / carbohidrați generată de toate plantele / copacii sau unele plante / copaci sunt mai pricepuți la aceasta?

Istoricul meu în biologie / botanică este liceul, așa că este posibil să lipsească lista cerințelor necesare pentru care îmi doresc îngăduința ta


Dacă vă referiți la eficiența la care plantele convertesc energia luminii în energie chimică (în zahăr sau în alți compuși cu C reduși) atunci există cu siguranță variabilitate între plante, atât la nivel de specie, cât și la nivel individual. Pagina WP cu eficiență fotosintetică oferă intervale cuprinse între 0,1 și 8% din radiația solară totală convertită în „biomasă”, dar aceste valori nu sunt citate. În analiza lor, (Zhu et al, 2008) afirmă că eficiența maximă maximă cu care fotosinteza poate converti energia solară în biomasă este de 3,5% și 4,3% pentru plantele C3 și C4 (ambele observate pentru culturi), respectiv. Biomasa nu este o măsură a energiei, dar poate înseamnă energie chimică potențială în acea biomasă.

Este o întrebare destul de complicată. Fotosinteza este un proces complex care implică multe reacții chimice interdependente și procese fizice. Toate speciile (sau chiar indivizii) de plante au morfologie, fiziologie și biochimie diferite, care influențează eficiența fotosintetică generală. În plus, fiecare locuiește în nișe ecologice și spații climatice diferite. Prin urmare, toate speciile sau indivizii ar avea o eficiență potențială maximă ușor unică. Iată câteva alte concepte legate de eficiență de luat în considerare:

Există 2 sisteme în fotosinteză care funcționează în tandem, reacția luminii și reacția întunecată. Reacția luminii folosește energia luminii, pigmenți precum clorofila și o grămadă de proteine ​​ale lanțului de transport al electronilor pentru a genera ATP și NADPH. Aceste 2 molecule oferă apoi puterea de reducere pentru utilizare în reacția întunecată (ciclul Calvin). În reacția întunecată, enzima RuBisCO se alătură CO2 și RuBP, creând lanțuri simple de carbon reduse care sunt apoi utilizate pentru asamblarea zaharurilor. Aceasta este o simplificare excesivă, deoarece ambele reacții sunt sisteme foarte complexe, cu o mulțime de mașini biochimice, dar acesta este procesul de bază utilizat pentru a converti energia luminii în energie chimică. Pentru a funcționa la eficiență maximă, întregul proces nu trebuie să fie limitat de energia primită (lumină), de furnizarea substratului (CO2, RuBP) sau substanțe nutritive utilizate pentru a construi toate utilajele celulare și moleculare necesare (N, P, K și multe altele). În realitate, există limite care variază de la plantă la plantă, de la specie la specie. De exemplu, o specie sau individ cu o suprafață frunzală foarte reflectantă convertește mai puțină lumină care ajunge la suprafața frunzei în energie chimică, scăzând astfel producția de ATP și NADPH. Acest lucru reduce energia chimică furnizată reacției întunecate și limitează cantitatea de carbon fixată de RuBisCO. Deci suprafața reflectorizantă a frunzei, care ar putea fi avantajoasă plantei în alte moduri, are un impact mare asupra eficienței fotosintetice generale (comparativ cu o frunză sau frunze mai puțin reflectante).

Dacă doriți să căutați mai multe informații, există o serie de termeni pe care fiziologii și ecologii plantelor îl folosesc atunci când descriu eficiența fotosintetică a unei plante (sau a comunităților de plante). Fiecare dintre acestea este utilizat în moduri diferite și poate avea multe variații în unități.

  • Eficiența utilizării luminii: Cantitatea de carbon fixată pe unitate de lumină incidentă.
  • Eficiența utilizării apei: Cantitatea de carbon fixată pe unitate de apă transpirată
  • Eficiența utilizării nutrienților: Cantitatea de carbon fixată pe unitate de concentrație de nutrienți (de obicei în frunze).

referinţă:

Zhu, Ort și Long 2008 "Care este eficiența maximă cu care fotosinteza poate converti energia solară în biomasă?" Opinia curentă în biotehnologie.


Rezumat

Numărul oamenilor de pe pământ crește, generând îngrijorări cu privire la securitatea alimentară și stimulând eforturile din întreaga lume pentru a crește productivitatea culturilor. Dacă s-ar putea găsi o modalitate de a crește randamentul culturilor cu, să zicem, 20%, ar avea un impact imens asupra aprovizionării cu alimente la nivel mondial. Din fericire, evoluția a creat deja un astfel de mecanism, cunoscut sub numele de C4 fotosinteză. C4 calea este de fapt un turbocompresor pentru C mai convențional3 cale. Așa cum un turbocompresor îmbunătățește performanța unui motor prin forțarea mai multor aer în colector, C4 îmbunătățește performanța fotosintetică forțând CO2 în C standard3 aparate fotosintetice. Eficiența adăugată a acestui mecanism este evidentă la nivel global. Doar aproximativ 3% din speciile de plante cu flori folosesc C4 calea, dar această mână relativă de specii reprezintă 23% din carbonul fixat (productivitatea primară) din lume. Calea apare în mai multe dintre culturile majore ale lumii, în special porumb (porumb) și sorg, iar în multe dintre speciile utilizate ca biocombustibili, cel mai important trestie de zahăr toate acestea sunt ierburi din familia Poaceae. Dacă un C major3 culturi precum orezul ar putea fi crescute pentru a utiliza C4 impactul economic ar fi imens.


Un detector de umbre pentru eficiența fotosintezei

Plantele tolerează variații mari ale intensității mediului luminos prin controlul eficienței conversiei solare la energie chimică. Pentru a face acest lucru, plantele au un mecanism pentru a detecta intensitatea, durata și schimbarea luminii pe măsură ce experimentează umbre în mișcare, lumină pâlpâitoare și acoperire de nori. Zaharurile sunt produsele principale ale CO2 fixare, o cale metabolică care este limitată de această conversie a energiei solare. Propunem că zahărul este un semnal care codifică informații despre intensitatea, durata și schimbările din mediul luminos. Am arătat anterior că complexul de proteine ​​heterotrimerice Arabidopsis G, inclusiv Regulatorul său de receptor de proteine ​​de semnalizare G, AtRGS1, detectează atât concentrația, cât și timpul de expunere a zaharurilor (Fu și colab., 2014. Cell 156: 1084-1095). Această proprietate unică, denumită reciprocitate între doză și durată, este un comportament care reiese din arhitectura sistemului / motivul sistemului. Aici, arătăm că o altă proprietate a sistemului de semnalizare este de a detecta schimbări mari de lumină în timp ce, în același timp, filtrează tipurile de fluctuație a luminii care nu afectează eficiența fotosintezei. Când AtRGS1 este ablat genetic, eficiența fotosintezei este redusă într-un mediu în schimbare, dar nu într-o lumină constantă. Modelarea matematică a relevat faptul că informațiile despre schimbările din mediul luminos sunt codificate în cantitatea de AtRGS1 liber care devine compartimentată după stimulare. Propunem ca această proprietate să determine când să se regleze eficiența fotosintetică într-un mediu în care intensitatea luminii se schimbă brusc cauzată de umbre în mișcare deasupra unui fundal de lumină care se schimbă treptat de la răsăritul soarelui la apusul soarelui și de la fluctuația luminii, cum ar fi cea cauzată de frunzele fluturând.

Cuvinte cheie: Endocitoză Proteina G heterotrimerică Eficiența fotosintezei Regulator de semnalizare G Detector de umbră kinază WNK.

Copyright © 2016 Elsevier Ltd. Toate drepturile rezervate.

Cifre

Figura 1. Rețeaua de sensibilizare la glucoză la lumină a ...

Figura 1. Rețeaua de sensibilizare la lumină-glucoză a modelului și eficiența relativă a fotosintezei și stingerea nonfotochimică ...

Figura 2. Dinamica tuturor se schimbă ...

Figura 2. Dinamica tuturor detectoarelor de schimbare pentru un singur impuls de iluminare și ...

Figura 3. Dinamica schimbării ...

Figura 3. Dinamica detectoarelor de schimbare pentru WT în condiții naturale


Mecanica cuantică explică eficiența fotosintezei

Celule vegetale cu cloroplaste vizibile (dintr-un mușchi, Plagiomnium affine) Credit: Wikipedia

Macromoleculele de colectare a luminii din celulele vegetale transferă energie profitând de vibrațiile moleculare ale căror descrieri fizice nu au echivalenți în fizica clasică, conform primelor dovezi teoretice neechivoce ale efectelor cuantice din fotosinteză publicate astăzi în jurnal Comunicări despre natură.

Majoritatea macromoleculelor care adună lumina sunt compuse din cromofori (responsabili de culoarea moleculelor) atașate proteinelor, care realizează primul pas al fotosintezei, captând lumina soarelui și transferând energia asociată în mod eficient. Experimentele anterioare sugerează că energia este transferată într-o manieră asemănătoare undelor, exploatând fenomenele cuantice, dar, în mod esențial, o explicație non-clasică nu a putut fi dovedită concludent, deoarece fenomenele identificate ar putea fi descrise în mod egal folosind fizica clasică.

Adesea, pentru a observa sau exploata fenomenele mecanice cuantice, sistemele trebuie răcite la temperaturi foarte scăzute. Totuși, acest lucru nu pare să fie cazul în unele sisteme biologice, care prezintă proprietăți cuantice chiar și la temperaturi ambientale.

Acum, o echipă de la UCL a încercat să identifice caracteristici în aceste sisteme biologice care pot fi prezise doar de fizica cuantică și pentru care nu există analogi clasici.

„Transferul de energie în macromoleculele de recoltare a luminii este asistat de mișcări vibraționale specifice ale cromoforilor”, a declarat Alexanda Olaya-Castro (UCL Physics & Astronomy), supervizor și co-autor al cercetării. „Am descoperit că proprietățile unora dintre vibrațiile cromoforului care ajută la transferul de energie în timpul fotosintezei nu pot fi niciodată descrise prin legi clasice și, mai mult, acest comportament non-clasic sporește eficiența transferului de energie.”

Vibrațiile moleculare sunt mișcări periodice ale atomilor dintr-o moleculă, cum ar fi mișcarea unei mase atașate unui arc. Când energia unei vibrații colective de doi cromori se potrivește cu diferența de energie dintre tranzițiile electronice ale acestor cromofori, apare o rezonanță și are loc un schimb eficient de energie între gradele de libertate electronice și vibraționale.

Cu condiția ca energia asociată vibrației să fie mai mare decât scala de temperatură, se schimbă doar o unitate discretă sau cuantică de energie. În consecință, pe măsură ce energia este transferată de la un cromofor la altul, vibrația colectivă afișează proprietăți care nu au omologi clasici.

Echipa UCL a constatat că semnătura neechivocă a non-clasicității este dată de o probabilitate comună negativă de a găsi cromofori cu anumite poziții relative și momente. În fizica clasică, distribuțiile de probabilitate sunt întotdeauna pozitive.

„Valorile negative din aceste distribuții de probabilitate sunt o manifestare a unei trăsături cuantice cu adevărat, adică schimbul coerent al unei singure cuante de energie”, a explicat Edward O'Reilly (UCL Physics & Astronomy), primul autor al studiului. „Când se întâmplă acest lucru, gradele de libertate electronice și vibraționale sunt împreună și tranzitorii într-o suprapunere a stărilor cuantice, o caracteristică care nu poate fi niciodată prezisă cu fizica clasică”.

Alte procese biomoleculare, cum ar fi transferul de electroni în macromolecule (cum ar fi în centrele de reacție în sistemele fotosintetice), schimbarea structurală a unui cromofor la absorbția fotonilor (ca în procesele de vedere) sau recunoașterea unei molecule de către alta (ca în procesele de olfacție ), sunt influențate de mișcări vibraționale specifice. Rezultatele acestei cercetări sugerează, prin urmare, că o examinare mai atentă a dinamicii vibraționale implicate în aceste procese ar putea furniza alte prototipuri biologice care exploatează fenomene cu adevărat non-clasice.


Cercetări fotosintetice în știința plantelor

Fotosinteza este un proces foarte reglementat, cu mai multe etape. Cuprinde recoltarea energiei solare, transferul energiei de excitație, conversia energiei, transferul de electroni din apă în NADP +, generarea de ATP și o serie de reacții enzimatice care asimilează dioxidul de carbon și sintetizează carbohidrații.

Fotosinteza are un loc unic în istoria științei plantelor, deoarece conceptele sale centrale au fost stabilite la mijlocul secolului trecut, iar mecanismele detaliate au fost elucidate de atunci. De exemplu, măsurătorile eficienței fotosintetice (randament cuantic) la diferite lungimi de undă ale luminii (Emerson și Lews 1943) au condus la înțelegerea faptului că două forme distincte de Chl trebuie excitate în fotosinteza oxigenică. Aceste rezultate au sugerat conceptul a două sisteme fotochimice. Pigmenții centrului de reacție al PSII și PSI (respectiv P680 și P700) au fost găsiți prin studierea modificărilor absorbției luminii în regiunea roșie (Kok 1959, Döring și colab. 1969). Chls cu absorbanta maximă corespunzătoare acestor lungimi de undă specifice au fost propuse ca chiuveta de lumină finală. S-a demonstrat că acești Chls conduc la transferul de electroni prin separarea sarcinii. Legătura transferului de electroni și a CO2 asimilarea a fost sugerată de studii asupra oxidantului Hill (Hill 1937). Un sistem liniar de transport al electronilor cu două reacții conduse de lumină (schema Z) a fost propus pe baza observațiilor privind starea redox a citocromilor (Hill și Bendall 1960, Duysens și colab. 1961), iar fotofosforilarea sa asociat cu fragmente de tilacoide ( Arnon și colab. 1954). Calea metabolică care asimilează carbonul prin fixarea CO2 a fost descoperit de grupul lui Calvin care a folosit 14 CO2 trasoare radioactive în anii 1950 (Bassham și Calvin 1957). Aceasta a fost prima descoperire semnificativă în biochimie realizată cu ajutorul trasorilor radioactivi. Reacția primară a CO2 fixarea este catalizată de Rubisco (Weissbach și colab. 1956), numită inițial proteina Fraction 1 (Wildman și Bonner 1947). Rubisco este cea mai abundentă proteină din lume, în mare măsură pentru că este și cea mai ineficientă, cu cea mai mică rată de rotație catalitică (1–3 s –1). Un alt CO2 calea de fixare a fost apoi găsită în trestia de zahăr (Kortschak și colab. 1964, Hatch și Slack 1965) și numită C4 fotosinteză.

Deși fotosinteza joacă rolul central în metabolismul energetic al plantelor, istoric nu au existat interacțiuni puternice între cercetarea fotosintezei și alte domenii ale științei plantelor. Multe tehnici și instrumente dezvoltate pentru cercetarea fotosintezei nu au fost utilizate pe scară largă în alte domenii, deoarece au fost dezvoltate pentru a examina fenomene unice fotosintezei. De exemplu, transferul de energie de excitație și separarea sarcinii sunt procese fundamentale, dar unice de fotosinteză. Un alt motiv pentru izolarea istorică a cercetării fotosintezei în știința plantelor este că s-a crezut mult timp că CO2 fixarea și producția de carbohidrați sunt singura funcție a fotosintezei, carbohidrații reprezentând singura legătură dintre fotosinteză și alte fenomene biologice.

Cu toate acestea, această situație a început să se schimbe. Cercetări recente au arătat că fotosinteza este strâns legată de o varietate de alte procese fiziologice. Este un sistem major pentru controlul stării redox a celulelor, jucând un rol important în reglarea activității enzimei și a multor alte procese celulare (Buchanan și Balmer 2005, Hisabori și colab. 2007). Fotosinteza generează, de asemenea, specii reactive de oxigen, care sunt acum apreciate ca fiind factori de reglare pentru multe procese biologice, mai degrabă decât produse secundare inevitabile ale fotosintezei (Wagner și colab. 2004, Beck 2005). Moleculele precursoare ale Chl, care sunt o componentă majoră a fotosintezei, acționează ca un semnal derivat din cloroplast și sunt implicate în reglarea ciclului celular (Kobayashi și colab. 2009). În lumina acestor noi informații, pare importantă reevaluarea funcției (funcțiilor), atât potențiale, cât și demonstrate, a fotosintezei dintr-o varietate de puncte de vedere. Cercetarea fotosintezei folosește acum metodele și instrumentele de biologie moleculară și genetică, care sunt metode centrale pentru știința plantelor în general. Între timp, fluorescența Chl și măsurătorile schimbului de gaze, dezvoltate special pentru cercetarea fotosintezei, sunt acum utilizate pe scară largă în biologia stresului și ecologia.

Cercetarea fotosintezei contribuie, de asemenea, la înțelegerea fenomenelor ecologice și chiar a mediilor globale (Farquhar și colab. 1980, de Pury și Farquhar 1997, Monsi și Saeki 2005). Într-adevăr, fotosinteza este acum o componentă integrală a modelelor de simulare utilizate pentru a prezice viitorul planetei noastre. Îmbunătățirea eficienței fotosintezei prin modificarea artificială a proteinelor și căilor fotosintetice a fost mult timp considerată imposibilă sau în cel mai bun caz problematică, deoarece, pe parcursul timpului evolutiv, fotosinteza a devenit complexă și strâns reglementată. Cu toate acestea, progresele recente au făcut posibilă manipularea fotosintezei folosind tehnologia genetică moleculară (Andrews și Whiney 2003, Raines 2006). Aceste progrese pot avea influențe pozitive asupra productivității culturilor (Parry și colab. 2007), deoarece ratele fotosintetice au fost frecvent corelate cu acumularea de biomasă (Kruger și Volin 2006). Astfel, ne putem aștepta ca multe alte concepte noi să fie adăugate la această istorie a cercetării fotosintetice.

Deoarece cercetarea de fotosinteză abordează noi provocări, ar trebui să continuăm să reevaluăm cercetările din trecut. Evoluția oxigenului, disiparea energiei și transportul ciclic de electroni sunt procese cruciale în timpul fotosintezei, însă mecanismele lor rămân încă de clarificat. Avem cunoștințe foarte limitate despre formarea și degradarea aparatelor fotosintetice. De asemenea, deși fotosinteza joacă un rol central în metabolismul C și N la plante, nu înțelegem încă cât de potențială fotosinteza este legată de productivitatea culturilor.

Fiziologia plantelor și celulelor ar dori să contribuie la dezvoltarea de concepte noi, pionierând noi domenii și rezolvând întrebările fără răspuns ale fotosintezei. Acest număr special acoperă o gamă largă de subiecte în cercetarea fotosintezei. Terashima și colab. (pp. 684-697) readresează întrebarea enigmatică de ce frunzele sunt verzi. Acestea arată că profilul luminii printr-o frunză este mai abrupt decât cel al fotosintezei și că lungimile de undă verzi din lumina albă sunt mai eficiente în conducerea fotosintezei decât lumina roșie. Evans (pp. 698-706) propune un nou model care utilizează fluorescența Chl pentru a explora modificările randamentului cuantic cu adâncimea frunzelor. Acest nou model multistrat poate fi aplicat pentru a studia variațiile profilurilor de absorbție a luminii, a capacității fotosintetice și a calculului CO cloroplastic2 concentrare la diferite adâncimi prin frunză.

Oxigen singlet, 1 O2, este produs de pigmentul fotosistem și Chl. 1 O2 nu numai că provoacă daune fiziologice, dar activează și programele de răspuns la stres. The gripa mutant al Arabidopsis thaliana supraacumulează protoclorofilidă care la iluminare generează oxigen singulet, provocând încetarea creșterii și moartea celulară. Coll și colab. (pp. 707–718) au mutanți supresori izolați, supranumiți „singlet oxigen-linked death activator” (soldat), care abrogă în mod specific 1 O2-răspunsuri mediate la stres la tineri gripa răsaduri și discută despre procesele de acomodare la stres. Eforbid A este un produs de degradare al Chl și una dintre cele mai puternice molecule fotosensibilizante. Mutanți defecți în feoforbid A oxigenaza, care convertește eforbidul A pentru a deschide tetrapirolul, acumulați feoforbid A și afișează moartea celulară într-un mod dependent de lumină. Hirashima și colab. (pp. 719-729) raportează că feoforbidul A este implicat în această moarte celulară independentă de lumină.

Plantele reglează nivelul redox al bazinului de plastochinone ca răspuns la mediul luminos. În condiții de iluminare puternică, nivelul redox este menținut într-o stare oxidată de sistemul de oxidare a plastochinonei (POS). Miyake și colab. (pp. 730-743) a investigat mecanismul POS folosind parametrul de fluorescență Chl, qL.

Nagai și Makino (pp. 744-755) examinează în detaliu diferențele dintre orez și grâu, cele două culturi cele mai importante din punct de vedere comercial, în răspunsurile la temperatură ale CO2 asimilarea și creșterea plantelor. Ei au descoperit că diferența în producția de biomasă între cele două specii la nivelul întregii plante depinde de diferența de eficiență a utilizării N în fotosinteza frunzelor și rata de creștere. Sage și Sage (pp. 756-772) examinează structura clorenchimului din orez și înrudite Oryza specii în raport cu funcția fotosintetică. Ei descoperă că arhitectura clorenchimului orezului include adaptări pentru a maximiza eliminarea CO fotorespirat2 și pentru a spori conductanța difuzivă a CO2. În plus, consideră că introducerea anatomiei Kranz nu necesită modificări anatomice radicale în ingineria C4 orez.

Bioinformatica a devenit un instrument puternic, în special în cercetarea fotosintetică, deoarece organismele fotosintetice au o distribuție taxonomică largă între procariote și eucariote. Ishikawa și colab. (pp. 773-788) prezintă rezultatele unui studiu pilot de ortogenomică funcțională, combinând analize bioinformatice și experimentale pentru a identifica proteinele cloroplastice codificate nucleare de origine endosimbiontică (CRENDOs). Ei concluzionează că profilarea filogenetică este utilă în găsirea CPRENDO-urilor, deși funcțiile fiziologice ale genelor ortoloage pot fi diferite în cloroplaste și cianobacterii.

Sperăm că vă va plăcea acest număr special și dorim să vă invităm să trimiteți lucrări mai excelente la Fiziologia plantelor și celulelor în domeniul fotosintezei.


Concluzie

Alimentarea non-optimă de N suprimă în mod semnificativ capacitatea fotosintetică la o specie tolerantă la umbră și sensibilă la N, cum ar fi P. notoginseng. Frunzele groase limitează difuzia de CO în fază lichidă2 în celulele mezofilei și în consecință reduce conductanța internă. Mai mult, cloroplast mare cu N scăzutc are ca rezultat un dezechilibru între creșterea gm și conținutul Rubisco, provocând în consecință scăderea Anet la indivizii HN. În plus, expresia genelor implicate în ciclul Calvin, biosinteza Chl și proteinele antenei sunt în mod evident reprimate la indivizii LN corespunzător, expresia genelor (de ex. RAF2, TAXI și PetE) implicat în ciclul Calvin și reacția la lumină este, de asemenea, inhibată, cu toate acestea, capacitatea fotosintetică ar putea fi inhibată în principal de Rubisco inactivat la indivizii HN. În general, rezultatele noastre indică faptul că performanța fotosintetică și expresia genelor legate de fotosinteză sunt coordonate într-o plantă tolerantă la umbră și sensibilă la N cultivată de-a lungul unui gradient de N.


Modificarea genetică îmbunătățește eficiența fotosintetică

Ruth Williams
17 noiembrie 2016

Câmpul de tutun WIKIMEDIA, ANRO0002 Accelerarea unui răspuns al plantei și rsquos la fluctuațiile intensității luminii poate spori randamentul său fotosintetic, potrivit unei lucrări publicate astăzi (17 noiembrie) în Ştiinţă. Autorii, care au modificat genetic plantele de tutun pentru a reacționa mai rapid la trecerea bruscă între lumină și umbră, raportează o îmbunătățire cu aproximativ 15% a productivității plantelor modificate și rsquo.

& ldquo Hârtia este o descoperire foarte frumoasă. Este prima instanță în care a fost posibil să se demonstreze că, prin îmbunătățirea eficienței fotosintezei, există o creștere a randamentului în condiții de teren ”, a spus Christine Foyer, cercetător în plante de la Universitatea din Leeds, Marea Britanie, și aș spune că este un joc schimbător. & rdquo

Organizația Națiunilor Unite pentru Agricultură și Agricultură a prezis că până în 2050, lumea va trebui să producă cu 70% mai multă hrană decât în ​​prezent. Împreună cu îmbunătățirea depozitării, transportului și conservării alimentelor pentru a minimiza pierderile, crescând.

Problema este că „a existat aproape un platou în multe culturi în ceea ce privește creșterea randamentului folosind tehnologiile actuale de reproducere”, a spus Foyer. „Era clar că trebuia să folosim o nouă abordare.”

Fotosinteza - conversia energiei solare în biomasă - este unul dintre cele mai vechi procese biologice de pe Pământ și este, fără îndoială, „cel mai important”, a spus Long. Într-adevăr, creează oxigenul planetei, precum și alimente. Deoarece evoluția modelează fotosinteza de atât de mult timp, „a existat o mulțime de scepticism în ceea ce privește dacă [modificarea] poate face ceva pentru culturi”, a spus Long.

Dar „dacă într-adevăr intrați și intrați în procesul de fotosinteză, vedeți o mulțime de locuri în care sistemul nu este la fel de eficient pe cât ar putea fi”, a declarat Robert Blankenship, cercetător în fotosinteză la Universitatea Washington din St. Louis. La urma urmei, a adăugat el, „evoluția nu face lucrurile perfecte, ci doar le face suficient de bune pentru a supraviețui”.

Un exemplu de astfel de eficiență mai puțin decât perfectă este un proces numit stingere nonfotochimică (NPQ), un mecanism care protejează plantele de efectele dăunătoare ale luminii prea intense. Mai exact, NPQ disipează excesiva energie de excitație a luminii ca căldură pentru a preveni supraexcitația și distrugerea complexelor de antene - structuri care conțin clorofilă, care răspund la lumină, critice pentru fotosinteză. Dar, când intensitatea luminii scade, a explicat Long (când un nor acoperă soarele sau când o frunză umbrește alta, de exemplu), NPQ se oprește lent. Aceasta înseamnă că energia de excitație continuă să fie deviată chiar și atunci când nu este în exces. Modelarea computerizată a arătat că acest decalaj ar putea reduce absorbția potențială de carbon a unei plante cu „între 8 și 40%”, a spus Long.

Long și colegii au planificat astfel să crească viteza cu care NPQ pornește și oprește. Pentru a face acest lucru, ei au supra-exprimat în plantele de tutun cele trei gene principale care controlează NPQ: două care codifică enzimele violaxantină de-epoxidază și zeaxantină epoxidază și una care codifică proteina PsbS - o subunitate a complexului de antenă al fotosistemului II.

Echipa a folosit tutun pentru că este o cultură compatibilă tehnic, a spus Long, explicând că culturile alimentare, cum ar fi orezul, soia și manioca, ar fi țintele finale.

Folosind măsurători în timp real ale vitezei de răspuns NPQ (prin analiza fluorescenței clorofilei) și a absorbției dioxidului de carbon (prin analiza gazelor în infraroșu), echipa a observat că ambele procese au fost semnificativ crescute. Și aceste îmbunătățiri s-au tradus printr-o creștere de la 14% la 20% din greutatea uscată pe plantă în condiții de câmp.

„Este impresionant ce au făcut”, a spus Blankenship, adăugând că „există o mulțime de alte modalități [de a modifica fotosinteza] care ar putea avea impacturi chiar mai mari”, cum ar fi extinderea spectrului de lumină pe care îl pot folosi plantele.

Într-adevăr, a convenit Foyer, „există mulți pași de-a lungul procesului de fotosinteză în care este posibil să se vadă că s-ar putea face îmbunătățiri pentru a crește randamentul. Și ceea ce au făcut Steve Long și colegii săi este să abordeze doar unul. ”

Cu acest avans, a adăugat ea, „creșterea de 70 până la 100 la sută a randamentului de care avem nevoie disperată până în 2050 seamănă mult mai mult cu o realitate acum”.

J. Kromdijk și colab., „Îmbunătățirea fotosintezei și a productivității culturilor prin accelerarea recuperării de la fotoprotecție” Ştiinţă, 354:857-61, 2016.


Fotosinteza ca ciclu termodinamic

Termodinamica fotosintezei a fost un subiect de interes pentru comunitatea științifică, de aceea este abordată în această lucrare. Această lucrare relevă faptul că relațiile termodinamice tradiționale pot fi utilizate pentru a calcula și proiecta fotosinteza. Energia solară este necesară pentru reacția chimică a producției de materie verde. Când dimensiunea materiei verzi se extinde, mai puțină energie solară este primită de împrejurimi și mai multă energie chimică este stocată în plante și vegetație. Dacă orice altceva este același, creșterea energiei chimice produse este egală cu scăderea căldurii biosferei și invers. Expansiunea fotosintezei este astfel echivalentă cu transferul de căldură din biosferă în materia verde. Plantele din jurul aerului pot fi considerate ca un rezervor de căldură la temperatura bulbului uscat la aer, Tdb. Aerul mai rece închis de spațiul materiei verzi poate fi presupus ca un rezervor rece la temperatura bulbului umed de aer, Twb, iar fotosinteza poate fi reprezentată de un ciclu motor Carnot. Eficiența termică a ciclului este egală cu 1- (Twb/ Tdb) 0,5. Dacă orice altceva este la fel, diferența, Tdb-Twb, este un factor limitativ al fotosintezei terestre. Pe baza acestei înțelegeri, ecuațiile pentru a prezice creșterea materiei verzi și diametrul arborelui sunt derivate și validate pe baza observațiilor. Alte descoperiri includ fotosinteza, eficiența termică medie globală este între 0,61% și 0,72%, iar ecologizarea sezonieră este de aproape 0,80%. Neglijând defrișările, tendința de ecologizare a suprafeței cu schimbările climatice este între 0,23% și 0,28% anual.

Aceasta este o previzualizare a conținutului abonamentului, acces prin instituția dvs.


Oameni

Obiectivele mele de cercetare pe termen lung sunt de a înțelege cum funcționează conversia de energie fotosintetică, cum este reglementată și cum ar putea fi îmbunătățită pentru a ajuta la satisfacerea nevoilor lumii de alimente și combustibil. Folosim o gamă largă de organisme experimentale și abordări interdisciplinare pentru a investiga întrebări fundamentale despre asamblare, reglare și dinamica fotosintezei. Membrii actuali ai laboratorului studiază biosinteza și funcția pigmenților fotosintetici, asamblarea și repararea centrelor de reacție fotosintetice, structura și dinamica membranei fotosintetice, mecanismele implicate în detectarea excesului de lumină, semnalizarea oxigenului singlet, reglarea transcripțională a fotosintezei și fotoprotecția prin lumină și carbon, și reglarea recoltării luminii fotosintetice în lumină saturantă. Prin compararea modului în care funcționează fotosinteza în diverse organisme, sperăm să descoperim principiile generale de proiectare ale fotosintezei naturale, precum și adaptările unice la diferite medii.

Biologia algelor

Algele eucariote și cianobacteriile (adesea denumite în mod colectiv simplu „alge”) sunt organisme fototrofe relativ simple care realizează fotosinteza oxigenică similară cu cea din plantele terestre. Algele sunt uimitor de diverse în ceea ce privește habitatul, biochimia, fiziologia și morfologia și au roluri critice în ecologia globală și biogeochimia. Microalgele acvatice (fitoplanctonul) sunt responsabile pentru aproximativ jumătate din producția primară netă de materie organică pe Pământ și au reapărut recent ca materii prime potențiale de generație următoare pentru biocombustibili (http://www.pbs.org/wgbh/nova /tech/algae-fuel.html).

Genetica și biologia moleculară

Laboratorul meu folosește abordări genetice pentru a obține o perspectivă asupra reglementării fotosintezei și fotoprotecției. Practicăm ceea ce predau în Bio 1A - totul, de la genetica clasică mendeliană la cele mai moderne instrumente de editare a genomului.

Cursuri

Bio 1A - Biologie generală
PMB 120 - Biologia algelor
PMB 120L - Laboratorul de biologie a algelor
PMB 290 - Fotosinteza plantelor și microbiene

Publicații
Munca recenta

García-Cerdán JG, Schmid EM, Takeuchi T, McRae I, McDonald K, Yordduangjun N, Hassan AM, Grob P, Xu CS, Hess HF, Fletcher DA, Nogales E, Niyogi KK (2020). Cloroplastul Sec14-like 1 (CPSFL1) este esențial pentru dezvoltarea normală a cloroplastului și favorizează acumularea de carotenoizi în Chlamydomonas. Proc Natl Acad Sci SUA 117: 12452–12463. doi: 10.1073 / pnas.1916948117

Hertle AP, García-Cerdán JG, Armbruster U, Shih R, Lee JJ, Wong W, Niyogi KK (2020). O proteină din domeniul Sec14 este necesară pentru creșterea fotoautotrofă și formarea veziculelor cloroplastice în Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci SUA 117: 9101-9111. doi: 10.1073 / pnas.1916946117 (prezentat pe copertă și într-un comentariu însoțitor)

Onoa B, Fukuda S, Iwai M, Bustamante C, Niyogi KK (2020). High-speed atomic force microscopy visualizes mobility of photosynthetic proteins in grana thylakoid membranes. Biophys J 118: 1876-1886. doi: 10.1016/j.bpj.2020.02.029

Arsenault EA, Yoneda Y, Iwai M, Niyogi KK, Fleming GR (2020). Vibronic mixing enables ultrafast energy flow in light-harvesting complex II. Nat Commun 11: 1460. doi: 10.1038/s41467-020-14970-1.

Dautermann O, Lyska D, Andersen-Ranberg J, Becker M, Gartmann H, Krämer LC, Mayr K, Pieper D, Rij LM, Niyogi KK, Lohr M (2020). An algal enzyme required for biosynthesis of the most abundant marine carotenoids. Sci Adv 6: eaaw9183. doi: 10.1126/sciadv.aaw9183

Amstutz CL, Fristedt R, Schultink A, Merchant SS, Niyogi KK, Malnoë A (2020). ROQH1 is a negative regulator of lipocalin-dependent non-photochemical quenching in Arabidopsis thaliana. Plantele naturii 6: 154-166. doi: 10.1038/s41477-020-0591-9

Roth MS, Westcott DJ, Iwai M, Niyogi KK (2019). Hexokinase is necessary for glucose-mediated photosynthesis repression and lipid accumulation in a green alga. Commun Biol 2: 347. doi: 10.1038/s42003-019-0577-1

Gabilly ST, Baker CR, Wakao S, Crisanto T, Guan K, Bi K, Guiet E, Guadagno CR, Niyogi KK (2019). Regulation of photoprotection gene expression in Chlamydomonas by a putative E3 ubiquitin ligase complex and a homolog of CONSTANS. Proc Natl Acad Sci SUA 116: 17556-17562. doi: 10.1073/pnas.1821689116

García-Cerdán JG, Furst AL, McDonald KL, Schünemann D, Francis MB, Niyogi KK (2019). A thylakoid membrane-bound and redox-active rubredoxin (RBD1) functions in de novo assembly and repair of photosystem II. Proc Natl Acad Sci SUA 116: 16631-16640. doi: 10.1073/pnas.1903314116

Roth MS, Gallaher SD, Westcott DJ, Iwai M, Louie KB, Mueller M, Walter A, Faflonker F, Bowen BP, Ataii NN, Song J, Chen J-H, Blaby-Haas CE, Larabell C, Auer M, Northen TR, Merchant SS, Niyogi KK. (2019). Regulation of oxygenic photosynthesis during trophic transitions in the green alga Chromochloris zofingiensis. Celula plantei 31: 579-601. doi: 10.1105/tpc.18.00742

Park S, Steen CJ, Lyska D, Fischer AL, Endelman B, Iwai M, Niyogi KK, Fleming GR (2019). Chlorophyll-carotenoid excitation energy transfer and charge transfer in Nannochloropsis oceanica for the regulation of photosynthesis. Proc Natl Acad Sci SUA 116: 3385-3390. doi: 10.1073/pnas.1819011116

Iwai M, Grob P, Iavarone AT, Nogales E, Niyogi KK (2018). A unique supramolecular organization of photosystem I in the moss Physcomitrella patens. Plantele naturii 4: 904-909. doi: 10.1038/s41477-018-0271-1

Park S, Fischer AL, Steen C, Iwai M, Morris JM, Walla PJ, Niyogi KK, Fleming GR (2018). Chlorophyll-carotenoid excitation energy transfer in high-light-acclimating thylakoid membranes investigated by snapshot transient absorption spectroscopy. J Am Chem Soc 140: 11965-11973. doi: 10.1021/jacs.8b04844

Iwai M, Roth MS, Niyogi KK (2018). Subdiffraction-resolution live-cell imaging for visualizing thylakoid membranes. Plant J 96: 233-243. doi: 10.1111/tpj.14021

Park S, Fischer AL, Li Z, Bassi R, Niyogi KK, Fleming GR (2017). Snapshot transient absorption spectroscopy of carotenoid radical cations in high-light-acclimating thylakoid membranes. J Phys Chem Lett 8: 5548-5554.

Leuenberger M, Morris JM, Chan A, Leonelli L, Niyogi KK, Fleming GR (2017). Dissecting and modeling zeaxanthin- and lutein-dependent non-photochemical quenching in Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci SUA 114: E7009-E7017. doi: 10.1073/pnas.1704502114

Leonelli L, Brooks MD, Niyogi KK (2017). Engineering the lutein epoxide cycle into Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci SUA 114: E7002-E7008. doi:10.1073/pnas.1704373114

Niyogi KK (2017). Physiology and metabolism: Light responses from photoreceptors to photosynthesis and photoprotection. Curr Opin Plant Biol 37: iv-vi. doi: 10.1016/j.pbi.2017.05.009

Xu CS, Hayworth KJ, Lu Z, Grob P, Hassan AM, García-Cerdan JG, Niyogi KK, Nogales E, Weinberg RJ, Hess HF (2017). Enhanced FIB-SEM systems for large-volume 3D imaging. eLife 6: e25916. doi: 10.7554/eLife.25916

Roth MS, Cokus SJ, Gallaher SD, Walter A, Lopez D, Erickson E, Endelman B, Westcott D, Larabell C, Merchant SS, Pellegrini M, Niyogi KK (2017). Chromosome-level genome assembly and transcriptome of the green alga Chromochloris zofingiensis illuminates astaxanthin production. Proc Natl Acad Sci SUA 114: E4296-E4305. doi: 10.1073/pnas.1619928114

Gee CW, Niyogi KK (2017). The carbonic anhydrase CAH1 is an essential component of the carbon-concentrating mechanism in Nannochloropsis oceanica. Proc Natl Acad Sci SUA 114: 4537-4542.

Kirst H, Gabilly ST, Niyogi KK, Lemaux PG, Melis A (2017). Photosynthetic antenna engineering to improve crop yields. Planta 245: 1009-1020.

Dall’Osto L, Cazzaniga S, Bressan M, Palecek D, Zidek K, Niyogi KK, Fleming GR, Zigmantas D, Bassi R (2017). Two mechanisms for dissipation of excess light in monomeric and trimeric light-harvesting complexes. Plantele naturii 3: 17033. doi: 10.1038/nplants.2017.33

Allorent G, Lefebvre-Legendre L, Chappuis R, Kuntz M, Truong TB, Niyogi KK, Ulm R, Goldschmidt-Clermont (2016). UV-B photoreceptor-mediated photoprotection of the photosynthetic machinery. Proc Natl Acad Sci SUA 113: 14864-14869.

Kromdijk J, Glowacka K, Leonelli L, Gabilly S, Iwai M, Niyogi KK, Long SP (2016). Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection. Ştiinţă 354: 857-861.

Leonelli L, Erickson E, Lyska D, Niyogi KK (2016). Transient expression in Nicotiana benthamiana for rapid functional analysis of genes involved in non-photochemical quenching and carotenoid biosynthesis. Plant J 88: 375-386.

Li Z, Peers G, Dent RM, Bai Y, Yang SY, Apel W, Leonelli L, Niyogi KK (2016). Evolution of an atypical de-epoxidase for photoprotection in the green lineage. Plantele naturii 2:16140. doi: 10.1038/nplants.2016.140.

Correa-Galvis V, Redekop P, Guan K, Grieß A, Truong TB, Wakao S, Niyogi KK, Jahns P (2016). PsbS is involved in the induction of LHCSR-dependent energy dissipation in Chlamydomonas reinhardtii. J Biol Chem 291: 17478-17487.

Armbruster U, Leonelli L, Correa-Galvis V, Strand D, Quinn E, Jonikas MC, Niyogi KK (2016). Regulation and levels of the thylakoid K+/H+ antiporter KEA3 shape the dynamic response of photosynthesis in fluctuating light. Plant Cell Physiol 57: 1557-1567.

Brzezowski P, Sharifi MN, Dent RM, Morhard MK, Niyogi KK, Grimm B (2016). Mg chelatase in chlorophyll synthesis and retrograde signaling in Chlamydomonas reinhardtii: CHLI2 cannot substitute for CHLI1. J Exp Bot 67: 3925-3938.

Ballottari M, Truong TB, De Re E, Erickson E, Stella GR, Fleming GR, Bassi R, Niyogi KK (2016). Identification of pH-sensing sites in the light harvesting complex stress-related 3 protein essential for triggering non-photochemical quenching in Chlamydomonas reinhardtii. J Biol Chem 291: 7334-7346.

Glowacka K, Kromkijk J, Leonelli L, Niyogi KK, Clemente TE, Long SP (2016). An evaluation of new and established methods to determine T-DNA copy number and homozygosity in transgenic plants. Plant Cell Environ 39: 908-917.

Tibiletti T, Hernández-Prieto MA, Matthijs HCP, Niyogi KK, Funk C (2016). Deletion of the gene family of small chlorophyll-binding proteins (ScpABCDE) offsets C/N homeostasis in Synechocystis PCC 6803. Biochim Biophys Acta 1857: 396-407.

Ngan CY, Wong C-H, Choi C, Yoshinaga Y, Louie K, Jia J, Chen C, Bowen B, Cheng H, Leonelli L, Kuo R, Baran R, García-Cerdán JG, Pratap, A, Wang, M, Lim J, Tice H, Daum C, Xu J, Northen T, Visel A, Bristow J, Niyogi KK, Wei C-L (2015). Lineage-specific chromatin signatures reveal a regulator of lipid metabolism in microalgae. Plantele naturii 1: 15107.

Ort DR, Merchant SS, Alric J, Barkan A, Blankenship RE, Bock R, Croce R, Hanson MR, Hibberd JM, Lindstrom DL, Long SP, Moore TA, Moroney J, Niyogi KK, Parry MAJ, Peralta-Yahya PP, Prince RC, Redding KE, Spalding MH, van Wijk KJ, Vermaas WFJ, von Caemmerer S, Weber APM, Yeates TO, Yuan JS, Zhu XG (2015). Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand. Proc Natl Acad Sci SUA 112: 8529-8536.

Niyogi KK, Wolosiuk RA, Malkin R, (2015). Fotosinteză. In: Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2nd edition, Buchanan BB, Gruissem W, Jones RL, eds (Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd.), pp. 508-566.

Tietz S, Puthiyaveetil S, Enlow HM, Yarbrough R, Wood M, Semchonok D, Lowry T, Li Z, Jahns P, Boekema EJ, Lenhert S, Niyogi KK, Kirchhoff H (2015). Functional implications of photosystem II crystal formation in photosynthetic membranes. J Biol Chem 290: 14091-14106.

Erickson E, Wakao S, Niyogi KK (2015). Light stress and photoprotection in Chlamydomonas reinhardtii. Plant J 82: 449-465.

Dent RM, Sharifi MN, Haglund C, Malnoë, A, Calderon RH, Wakao S, Niyogi KK (2015). Large-scale insertional mutagenesis of Chlamydomonas supports phylogenomic functional prediction of photosynthetic genes and analysis of classical acetate-requiring mutants. Plant J 82: 337-351.

Highlights of older work

Wakao S, Chin BL, Ledford HK, Dent RM, Casero D, Merchant SS, Pellegrini M, Niyogi KK (2014). Phosphoprotein SAK1 is a regulator of acclimation to singlet oxygen in Chlamydomonas reinhardtii. eLife 3: e02286. doi: 10.7554/eLife.02286

Shih PM, Zarzycki J, Niyogi KK, Kerfeld CA (2014).Introduction of a synthetic CO2-fixing photorespiratory bypass into a cyanobacterium. J Biol Chem 289: 9493-9500.

Calderon RH, García-Cerdán J, Malnoë A, Cook R, Russell JJ, Gaw C, Dent RM, de Vitry C, Niyogi KK (2013). A conserved rubredoxin is necessary for photosystem II accumulation in diverse oxygenic photoautotrophs. J Biol Chem 288: 26688-26696

Brooks MD, Sylak-Glassman EJ, Fleming GR, Niyogi KK (2013). A thioredoxin-like/beta-propeller protein maintains the efficiency of light harvesting in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 110: E2733-2740. doi: 10.1073/pnas.1305443110

Niyogi KK, Truong TB (2013). Evolution of flexible non-photochemical quenching mechanisms that regulate light harvesting in oxygenic photosynthesis. Curr Op Plant Biol 16: 307-314.

Zaks J, Amarnath K, Kramer DM, Niyogi KK, Fleming GR (2012). A kinetic model of rapidly reversible nonphotochemical quenching. Proc Natl Acad Sci USA 109: 15757-15762.

Amarnath K, Zaks J, Park SD, Niyogi KK, Fleming GR (2012). Fluorescence lifetime snapshots reveal two rapidly reversible mechanisms of photoprotection in live cells of Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci USA 109: 8405-8410. doi: 10.1073/pnas.1205303109

Fischer BB, Ledford HK, Wakao S, Huang SG, Casero D, Pellegrini M, Merchant SS, Koller A, Eggen RIL, Niyogi KK (2012). SINGLET OXYGEN RESISTANT 1 links reactive electrophile signaling to singlet oxygen acclimation in Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci USA 109: E1302-1311. doi:10.1073/pnas.1116843109

Li Z, Keasling JD, Niyogi KK (2012). Overlapping photoprotective function of vitamin E and carotenoids in Chlamydomonas. Plant Physiol 158: 313-323. doi:10.1104/pp.111.181230 (featured in accompanying “On the Inside” article)

Kilian O, Benemann CSE, Niyogi KK, Vick B (2011). High-efficiency homologous recombination in the oil-producing alga, Nannochloropsis sp. Proc Natl Acad Sci USA 108: 21265-21269. doi:10.1073/pnas.1105861108 (featured on the cover and in an accompanying Commentary)

Murchie EH, Niyogi KK (2011). Manipulation of photoprotection to improve plant photosynthesis. Plant Physiol 155: 86-92.

Bonente G, Ballottari M, Truong TB, Morosinotto T, Ahn TK, Fleming GR, Niyogi KK, Bassi R (2011). Analysis of LHCSR3, a protein essential for feedback de-excitation in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. PLoS Biol 9(1): e1000577. doi:10.1371/journal.pbio.1000577

Peers G, Truong TB, Ostendorf E, Busch A, Elrad D, Grossman AR, Hippler M, Niyogi KK (2009). An ancient light-harvesting protein is critical for the regulation of algal photosynthesis. Natură 462: 518-52.

Li Z, Ahn TK, Avenson TJ, Ballottari M, Cruz JA, Kramer DM, Bassi R, Fleming GR, Keasling JD, Niyogi KK (2009). Lutein accumulation in the absence of zeaxanthin restores nonphotochemical quenching in the Arabidopsis thaliana npq1 mutant. Celula plantei 21: 1798-1812.

Li Z, Wakao S, Fischer BB, Niyogi KK (2009). Sensing and responding to excess light. Annu Rev Plant Biol 60: 239-260.

Ahn TK, Avenson TJ, Ballottari M, Cheng, Y-C, Niyogi KK, Bassi R, Fleming GR (2008). Architecture of a charge-transfer state regulating light harvesting in a plant antenna protein. Ştiinţă 320: 794-797.

Ledford HK, Chin BL, Niyogi KK (2007). Acclimation to singlet oxygen stress in Chlamydomonas reinhardtii. Eukaryot Cell 6: 919–930.

Dent RM, Haglund CM, Chin BL, Kobayashi MC, Niyogi KK (2005). Functional genomics of eukaryotic photosynthesis using insertional mutagenesis of Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiol 137: 545–556.

Holt NE, Zigmantas D, Valkunas L, Li X-P, Niyogi KK, Fleming GR (2005). Carotenoid cation formation and the regulation of photosynthetic light harvesting. Ştiinţă 307: 433–436.

Li X-P, Gilmore AM, Caffarri S, Bassi R, Golan T, Kramer D, Niyogi KK (2004). Regulation of photosynthetic light harvesting involves intrathylakoid lumen pH sensing by the PsbS protein. J Biol Chem 279: 22866–22874.

Müller-Moulé P, Golan T, and Niyogi KK (2004). Ascorbate-deficient mutants of Arabidopsis thaliana grow in high light despite chronic photo-oxidative stress. Plant Physiol 134: 1163–1172.

Baroli I, Gutman BL, Ledford HK, Shin JW, Chin BL, Havaux M, Niyogi KK (2004). Photo-oxidative stress in a xanthophyll-deficient mutant of Chlamydomonas. J Biol Chem 279: 6337–6344.

Müller-Moulé P, Havaux M, Niyogi KK (2003). Zeaxanthin deficiency enhances the high light sensitivity of an ascorbate-deficient mutant of Arabidopsis thaliana. Plant Physiol 133: 748–760.

Ma Y-Z, Holt NE, Li X-P, Niyogi KK, Fleming GR (2003). Evidence for direct carotenoid involvement in the regulation of photosynthetic light harvesting. Proc Natl Acad Sci SUA 100: 4377–4382.

Baroli I, Do AD, Yamane T, Niyogi KK (2003). Zeaxanthin accumulation in the absence of a functional xanthophyll cycle protects Chlamydomonas reinhardtii from photo-oxidative stress. Celula plantei 15: 992–1008.

Li X-P, Müller-Moulé P, Gilmore AM, Niyogi KK (2002). PsbS-dependent enhancement of feedback de-excitation protects photosystem II from photoinhibition. Proc Natl Acad Sci SUA 99: 15222–15227.

Li X-P, Björkman O, Shih C, Grossman AR, Rosenquist M, Jansson S, Niyogi KK (2000). A pigment-binding protein essential for regulation of photosynthetic light harvesting. Natură 403: 391–395.

Havaux M, Niyogi KK (1999). The violaxanthin cycle protects plants from photo-oxidative damage by more than one mechanism. Proc Natl Acad Sci SUA 96: 8762–8767.

Honors and Awards

Elected Fellow of the American Association for the Advancement of Science (AAAS) - 2016
Elected Member of National Academy of Sciences - 2016
Fellow of ASPB Award - American Society of Plant Biologists - 2016
HHMI-GBMF Investigator - Howard Hughes Medical Institute and the Gordon and Betty Moore Foundation - 2011
Charles Albert Schull Award - American Society of Plant Biologists - 2005
Melvin Calvin Award - International Society of Photosynthesis Research - 2001
Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers - USDA - 1998
Searle Scholar - Searle Scholars Program/The Chicago Community Trust - 1998


The Carbon Cycle

All organisms need energy to perform life functions, and energy that is released is reused in other ways.

Obiective de invatare

Describe the importance of the carbon cycle

Chei de luat masa

Puncte cheie

  • Every single atom of energy is conserved by changing form or moving from one type of energy to another, so waste does not exist in nature.
  • Photosynthesis absorbs light energy to build carbohydrates, and aerobic cellular respiration releases energy by using oxygen to metabolize carbohydrates.
  • Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen, and aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide.
  • Both photosynthesis and cellular respiration use electron transport chains to capture the energy necessary to drive other reactions.

Termeni cheie

  • heterotrof: an organism that requires an external supply of energy in the form of food, as it cannot synthesize its own
  • respirație celulară: the set of the metabolic reactions and processes that take place in the cells of organisms to convert biochemical energy from nutrients into adenosine triphosphate (ATP)
  • aerob: living or occurring only in the presence of oxygen

The Carbon Cycle

Photosynthesis and Aerobic Respiration: Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen. Aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. These two processes play an important role in the carbon cycle.

Whether the organism is a bacterium, plant, or animal, all living things access energy by breaking down carbohydrate molecules. But if plants make carbohydrate molecules, why would they need to break them down, especially when it has been shown that the gas organisms release as a “waste product” (CO2) acts as a substrate for the formation of more food in photosynthesis? Living things need energy to perform life functions. In addition, an organism can either make its own food or eat another organism either way, the food still needs to be broken down. Finally, in the process of breaking down food, called cellular respiration, heterotrophs release needed energy and produce “waste” in the form of CO2 gaz.

In nature, there is no such thing as waste. Every single atom of matter and energy is conserved, recycling over and over, infinitely. Substances change form or move from one type of molecule to another, but their constituent atoms never disappear.

CO2 is no more a form of waste than oxygen is wasteful to photosynthesis. Both are byproducts of reactions that move on to other reactions. Photosynthesis absorbs light energy to build carbohydrates in chloroplasts, and aerobic cellular respiration releases energy by using oxygen to metabolize carbohydrates in the cytoplasm and mitochondria. Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen. Aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. Both processes use electron transport chains to capture the energy necessary to drive other reactions. These two powerhouse processes, photosynthesis and cellular respiration, function in biological, cyclical harmony to allow organisms to access life-sustaining energy that originates millions of miles away in the sun.


Priveste filmarea: Toate plantele care au inflorit în 2018, La multi ani 2019!!! (Ianuarie 2022).