Pesquisa avança no entendimento da fotossíntese

Em uma descoberta com potencial revolucionar o modo como entendemos e manipulamos a fotossíntese, cientistas do Instituto de Fotosíntese Molecular da Universidade Heinrich Heine (HHU), liderados pela professora Ute Armbruster, apresentaram novos insights sobre a sincronização das reações de plantas sob variadas condições de luminosidade. Publicado na revista Nature Communications, o estudo não apenas aprofunda o entendimento da base molecular da fotossíntese, mas também abre caminhos para melhorias significativas na produção agrícola e na tolerância das plantas a estresses.

A fotossíntese é um processo duplo essencial, no qual, inicialmente, a energia luminosa é convertida em energia química (ATP e NADPH) durante a reação dependente de luz. Posteriormente, essa energia é utilizada para transformar dióxido de carbono do ar em biomassa, no que é conhecido como reação de fixação de carbono. A eficiência dessas etapas é crucial para a produtividade das plantas e, consequentemente, para a produção de alimentos.

Um dos maiores desafios enfrentados pelas plantas é a constante mudança nas condições de luminosidade, o que exige uma sincronização fina entre as duas etapas da fotossíntese para maximizar a utilização da luz. Até o momento, pouco se sabia sobre como essa sincronização é alcançada. O estudo revelou que, em condições de excesso de luz, as plantas ativam um mecanismo de proteção conhecido como extinção de energia dependente de quinona (qE), que permite a dissipação do excesso de energia em forma de calor, protegendo a planta contra danos potenciais.

A equipe de pesquisa identificou um mecanismo molecular inédito, envolvendo o "transportador de troca de K+ da tilacoide 3" (KEA3), que permite a sincronização das atividades dos dois módulos da fotossíntese. Através de simulações computacionais e diversos métodos experimentais, incluindo biossensores, os pesquisadores descobriram que o valor do pH ao redor da membrana da tilacoide responde dinamicamente às mudanças de luz e que a estrutura e atividade do KEA3 se alteram de acordo com o pH, mas apenas quando o KEA3 também está ligado ao ATP e NADPH. Isso resulta na inativação do KEA3 sob excesso de luz, permitindo a ativação do qE, e na sua ativação após a transição para sombra, o que aumenta as reações fotossintéticas dependentes de luz.

"Com nosso trabalho, entendemos pela primeira vez como os dois módulos funcionais da fotossíntese se comunicam entre si por meio do KEA3. Conhecer isso é crucial para desenvolver estratégias que melhorem a fotossíntese no campo e, por consequência, aumentem a produção de cultivos a longo prazo," explicou a professora Armbruster.

O estudo foi resultado de uma colaboração interdisciplinar envolvendo o Instituto Max Planck de Fisiologia Molecular de Plantas em Golm e grupos de pesquisa das universidades de Bergen (Noruega), Bochum, Münster e Potsdam.

O artigo recebeu o seguinte resumo:

"A fotossíntese das plantas contém dois módulos funcionais, as reações acionadas pela luz na membrana do tilacóide e as reações de fixação de carbono no estroma do cloroplasto. Na natureza, a disponibilidade de luz para a fotossíntese frequentemente sofre flutuações massivas e rápidas. O uso eficiente e produtivo desse fornecimento de luz variável requer diafonia instantânea e sincronização rápida de ambos os módulos funcionais. Aqui, mostramos que esta comunicação envolve o terminal C exposto ao estroma do antiportador KEA3 de troca de K + do tilacóide, que regula o ΔpH através da membrana do tilacóide e, portanto, a fotoproteção dependente do pH. Combinando abordagens in silico, in vitro e in vivo, demonstramos que o terminal C KEA3 detecta o estado de energia do cloroplasto de uma maneira dependente do pH e regula a atividade de transporte em resposta. Juntos, nossos dados identificam um ciclo de feedback regulatório pelo qual o estado de energia estromal orquestra a captura de luz e a fotoproteção por meio da regulação multinível do KEA3."

Mais informações em: doi.org/10.1038/s41467-024-47151-5