[논문 리뷰] Excitation diffusion length controls photosystem II light harvesting during photoprotection

Doran I. G. Bennett, Graham R. Fleming외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 19.

Photosynthetic Processes and Mechanisms인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 에너지 의존성 억제(queuing, qE)에 의해 결정되는 에너지 전이 길이를 고려한 확산 보정 lake 모델을 사용하여 Photosystem II 반응 중심의 2차원 군집 모델을 제안한다. 이 모델은 PSII 수확 효율성을 조절하는 데 있어 확산 길이에 의해 제어되며, 단일 분자 수준의 qE 측정치와 매크로스코픽 형광 수확률 간의 억제를 조화롭게 맞추어, 그라나 막의 100 nm 척도에서 광합성 효율 예측을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

An important determinant of crop yields is the regulation of photosystem II (PSII) light harvesting by energy-dependent quenching (qE). However, the molecular details of excitation quenching have not been quantitatively connected to the PSII yield, which only emerges on the 100 nm scale of the grana membrane and determines flux to downstream metabolism. Here, we incorporate excitation dissipation by qE into a pigment-scale model of excitation transfer and trapping for a 200 nm x 200 nm patch of the grana membrane. We demonstrate that single molecule measurements of qE are consistent with a weak-quenching regime. Consequently, excitation transport can be rigorously coarse-grained to a 2D random walk with an excitation diffusion length determined by the extent of quenching. A diffusion-corrected lake model substantially improves the PSII yield determined from variable chlorophyll fluorescence measurements and offers an improved model of PSII for photosynthetic metabolism.

연구 동기 및 목표

• 단일 분자 수준의 qE 측정치와 그라나 막 척도에서 매크로스코픽 PSII 수확률 간의 정량적 괴리 문제를 해결하기 위해.
• qE에 의해 제어되는 에너지 확산 길이가 Photosystem II에서 빛 흡수 효율성에 어떻게 영향을 주는지 규명하기 위해.
• 변동형 엽록소 형광 데이터로부터 PSII 수확률을 정확하게 예측할 수 있는 군집 모델을 개발하기 위해.
• 확산 보정된 운반을 통합하여 분자 척도의 억제 메커니즘과 생리학적 척도의 광합성 유량을 연결하기 위해.

제안 방법

• 그라나 막의 200 nm × 200 nm 영역을 엽록소 척도에서 모델링하여 에너지 전달 및 포획을 시뮬레이션한다.
• 단일 분자 데이터와 일치하는 약한 억제 상태를 가정하여, qE를 통한 에너지 억제를 확률적 에너지 전달 모델에 통합한다.
• qE에 의해 유도된 소산 정도에서 유도된 확산 길이를 갖는 2차원 랜덤 워크로 에너지 운반을 군집화한다.
• 변동형 엽록소 형광 측정치에 확산 보정 lake 모델을 적용하여 수확률 추정을 향상시킨다.
• 예측된 PSII 수확률을 실험적 형광 데이터와 비교하여 표준 모델 대비 정확도 향상을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 qE에 의해 조절되는 에너지 확산 길이는 그라나 막 척도에서 Photosystem II의 빛 흡수 효율성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ2 단일 분자 수준의 qE 측정치가 군집 모델을 통해 확산 길이에 기반하여 매크로스코픽 PSII 수확률과 정량적으로 연결될 수 있는가?
• RQ3 확산 보정된 에너지 운반을 고려할 경우, 변동형 엽록소 형광 측정치로부터의 PSII 수확률 추정 정확도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ4 에너지 확산 길이는 분자 척도의 억제와 생리학적 척도의 광합성 유량을 조율하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모델은 qE가 단일 분자 측정치와 일치하는 약한 억제 상태에서 작용함을 입증한다.
• PSII 내 에너지 운반은 qE에 의해 유도된 소산 정도에 따라 결정되는 확산 길이를 갖는 2차원 랜덤 워크로 엄밀히 군집화될 수 있다.
• 확산 보정 lake 모델은 변동형 엽록소 형광 측정치로부터 유도된 PSII 수확률 추정의 정확도를 크게 향상시킨다.
• 확산 길이를 조절 가능한 매개변수로 통합함으로써, 분자 및 생리학적 데이터와 모두 일치하는 더 물리적으로 타당한 PSII 모델이 가능해진다.
• 이 모델은 그라나 막의 100 nm 척도에서 qE에 의해 유도된 억제가 후속 광합성 대사에 어떻게 연결되는지를 정량적으로 기반한 프레임워크를 제공한다.