[论文解读] Excitation diffusion length controls photosystem II light harvesting during photoprotection

Doran I. G. Bennett, Graham R. Fleming+1 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2017

Photosynthetic Processes and Mechanisms被引用 1

一句话总结

本研究提出了一种基于扩散校正湖模型的2D粗粒化模型，用于模拟光系统II反应中心的激发能量转移，其中激发扩散长度由能量依赖性淬灭（qE）决定，控制PSII的产量。该模型将单分子qE测量结果与宏观荧光产量相协调，显著提升了在基粒膜100 nm尺度上光合效率的预测能力。

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.

研究动机与目标

• 解决单分子qE测量与基粒膜尺度上宏观PSII产量之间的定量脱节问题。
• 确定受qE调控的激发扩散长度如何影响光系统II中捕光效率。
• 开发一种粗粒化模型，能够从可变叶绿素荧光数据中准确预测PSII产量。
• 通过引入扩散校正的传输机制，弥合分子尺度淬灭机制与生理尺度光合通量之间的鸿沟。

提出的方法

• 在色素尺度上对基粒膜的200 nm × 200 nm区域进行建模，以模拟激发能量的转移与捕获。
• 在激发能量转移的随机模型中引入通过qE实现的淬灭，假设处于与单分子数据一致的弱淬灭状态。
• 将激发能量传输粗粒化为基于qE诱导耗散程度所确定的扩散长度的2D随机游走。
• 将扩散校正的湖模型应用于可变叶绿素荧光测量，以改进产量估计。
• 通过将预测的PSII产量与实验荧光数据对比，对模型进行验证，结果表明其在准确性上显著优于标准模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 受qE调控的激发扩散长度如何影响基粒膜尺度上光系统II的光能捕获效率？
• RQ2 能否通过粗粒化扩散模型将单分子qE测量结果与宏观PSII产量进行定量关联？
• RQ3 在可变叶绿素荧光测量中，考虑扩散校正的激发能量传输能在多大程度上提升PSII产量估计的准确性？
• RQ4 激发扩散长度在调和分子尺度淬灭与生理尺度光合通量之间起到何种作用？

主要发现

• 该模型表明，qE在弱淬灭状态下运行，与单分子测量的激发能量耗散结果一致。
• PSII中的激发能量传输可严格粗粒化为一种由qE程度决定的扩散长度的2D随机游走。
• 扩散校正的湖模型显著提升了从可变叶绿素荧光测量中推导出的PSII产量估计的准确性。
• 将扩散长度作为可调参数引入，使得PSII模型更具物理一致性，且与分子和生理数据相吻合。
• 该模型为在基粒膜100 nm尺度上建立qE诱导淬灭与下游光合代谢之间的定量框架提供了支持。