植物如何调整光合作用以适应不断变化的光线

光合作用是植物利用空气中的光、水和二氧化碳积累生物量的核心过程。对这一过程有了详细的了解，就有可能对其进行修改和优化——例如，以提高粮食产量或耐压力性

由HHU分子光合作用研究所的Ute Armbruster教授领导的研究小组正在从一系列角度研究这一过程。该小组与一个跨学科研究团队一起，在《自然通讯》的最新出版物中介绍了植物对不同光照条件反应过程的发现

光合作用包括两个步骤或“模块”。首先，在所谓的光驱动反应中，光能转化为化学能，植物可以以ATP和NADPH分子的形式使用。然后，这些能量被用于通过“碳固定反应”将空气中的二氧化碳固定为生物质。

植物生活在经常快速变化的光照条件下。为了最大限度地利用这种光，模块必须紧密同步。特别是到目前为止，对这种同步性的科学研究很少

如果太亮，植物就不能转换所有的光能；这是一种潜在的有害情况。确保多余的光能不会造成损坏&mdash；这可以导致例如高活性氧物种的形成&mdash；植物激活了一种保护机制：所谓的能量依赖性淬火（简称“qE”）确保多余的能量以热量的形式排出

从早期的研究中可知，阴凉处的“类囊体K+-交换反转运蛋白3”（KEA3）会更快地再次关闭qE。然而，整个过程仍然非常缓慢，以至于当亮度降低时，可用的光能就会损失

研究团队现在首次确定了一种分子机制，通过该机制，两个光合作用模块通过KEA3同步其活动。为了实现这一点，研究人员使用了计算机模拟和各种实验方法，包括生物传感器

首先，类囊体膜周围介质的pH值对光的变化高度动态地反应。其次，KEA3的结构和活性根据pH值而变化。然而，只有当KEA3也结合了ATP和NADPH时，才会发生这种情况。在过量的光照下，这导致KEA3失活，从而使qE具有活性。在突然过渡到阴凉处后，KEA3被激活，从而上调光合作用的光驱动反应

Armbruster教授说：“通过我们的工作，我们现在首次了解了光合作用的两个功能模块是如何通过KEA3相互通信的。重要的是要了解这一点，以便制定改善田间光合作用的策略，从而长期提高作物产量。