光合作用的快捷方式使圣诞树在冬季保持绿色

杉树在冬天。

当大多数树木落叶时，例如用作圣诞树的针叶树如何在寒冬期间保持绿色针叶？科学并不能很好地解决这个问题，但是如今，包括默奥大学（UmeåUniversity）研究人员在内的国际科学家团队已经破译，光合作用机制的捷径可以使松树的针头保持绿色。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

在冬天，光能被绿色的叶绿素分子吸收，但由于冷冻温度停止了大多数生化反应，因此光合作用的下游反应无法利用。在初春时温度仍然可能非常低，但阳光已经很强，并且过剩的光能会破坏光合作用蛋白的蛋白质，这尤其是个问题。研究人员表明，光合作用装置以一种特殊的方式接线，可使松针整年保持绿色。

在正常条件下，两个光系统，即吸收光能并转换为化学能的两个功能单元，要保持彼此分开，以防止发生捷径并实现高效的光合作用。在冬季，重组了两个光系统所在的类囊体膜的结构，使两个光系统物理接触。研究人员表明，光系统II将能量直接捐赠给光系统I，并且这种短路模式可以在恶劣的条件下保护绿色叶绿素和针叶。

于默奥大学的博士生Pushan Bag说，“在三个季节里，我们追踪了瑞典北部默默地区生长的几棵松树，”他一年四季都收集了样本并进行了许多分析。“至关重要的是，我们必须“直接从室外”使用针头，以防止它们在实验室环境中适应更高的温度，例如在使用电子显微镜对类囊体膜的结构进行可视化分析之前。

所有工厂都设有安全阀，以处理多余的光能，这些光能要么作为热量散发，要么作为荧光散发。但是，只有针叶树才具有如此强大的瓣膜，以至于在极端的寒冬期间它们都可以使光合装置保持完整。该研究小组将生物化学和超快速荧光分析相结合，这是一种非常复杂的方法，可以在皮秒级的时间内解析叶绿素荧光。这样，他们可以证明松针如何处理多余的光能，以保护其敏感的光合作用设备不受损害。

“我们需要调整设备以研究低温下的松针，以捕获独特的机理，”来自阿姆斯特丹Vrije Universiteit大学的Volha Chukhutsina解释说，他已经进行了许多超快速荧光分析。“我们也尝试过云杉针，但是很难很好地将它们插入设备中。”

开发了时间分辨荧光测量的Alfred Holzwarth补充说：“松针为我们提供了研究这种捷径机制（也称为溢出）的机会，因为它们确实表现出了极大的适应性。”

这项研究是针对松树进行的，但研究人员认为，其他针叶树的机理可能很相似，例如典型的圣诞树云杉和冷杉，因为它们的光合装置相似。

于默奥大学（UmeåUniversity）的斯特凡·詹森（Stefan Jansson）教授说：“这种非凡的适应性不仅在圣诞节期间让我们享受，而且实际上对人类来说极为重要。”“´ Hadnt针叶树能够在极端严酷的冬季气候中生存，因为针叶树提供了柴火，房屋和其他必需品，北半球的广大地区可能没有被殖民。直到今天，它们仍然是大部分极地针叶林地区的经济基础。”

参考：“ Pushan Bag，Volha Chukhutsina，Zishan Zhang，Suman Paul，Alexander G. Ivanov，Tatyana Shutova，Roberta Croce，Alfred R. Holzwarth和Stefan Jansson撰写的“从光系统II到光系统I的直接能量传递赋予了苏格兰松树冬季可持续性” 2020年12月，《自然通讯》。DOI：
10.1038 / s41467-020-20137-9