波动的阳光给植物和绿藻带来了挑战，它们必须迅速调整它们的光合系统，以在变化的条件下保持高效。辅助这种反应的是一种基本的记忆，它使这些生物能够更快地对先前波动后的光线变化做出反应。

　　劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家最近在《自然通讯》上发表了一项研究，揭示了这种光保护记忆如何工作的细节。研究结果可能有助于科学家开发出更高产的植物并提高作物产量。

　　伯克利实验室生物科学领域的资深教员科学家、加州大学伯克利分校的化学教授格雷厄姆·弗莱明(Graham Fleming)说:“从太阳前面经过的云层会导致植物的光照强度大幅上升，很快就会从光线过多到光线不足。”他与伯克利实验室生物科学领域的教员科学家、加州大学伯克利分校的植物和微生物生物学教授克里希纳·尼约吉(Krishna Niyogi)共同领导了这项研究。

　　“植物的效率，因此它们的生存，与它们如何应对这些巨大的波动有关。如果我们知道如何改善植物的光保护反应和光波动之间的匹配，那么我们就可以提高它的生产力。”

　　植物和绿藻的光保护反应涉及三种吸收光的色素分子:紫黄质(V)、花黄质(A)和玉米黄质(Z)。在所谓的VAZ循环中，光的波动触发这些分子之间的化学转化，消散太阳能的爆发，帮助调节和保护光合作用蛋白。

　　为了了解VAZ循环对波动光的反应，研究人员研究了一种被称为海洋纳米绿藻的藻类，这是一种简单的模式生物，在生物燃料工业中也有应用。他们将北美洲洋洲暴露在黑暗和强光交替的不规则序列中，间隔时间从1到15分钟不等。

　　利用高效液相色谱法，研究人员测量了三种色素在整个光序列中的不同浓度，以确定它们之间的转换速率。他们还通过进行时间相关的单光子计数实验，探索了藻类在序列中耗散光能的能力。

　　根据实验结果，该团队开发了一个系统的理论模型，能够预测其在更大范围条件下的行为。

　　加州大学伯克利分校的博士后研究员、该研究的主要作者之一托马斯·费伊(Thomas Fay)说:“建模将我们对生物化学和定量测量的想法结合在一起，形成了一幅关于正在发生的事情的有凝聚力的画面，填补了我们无法直接通过实验获得的空白。”“使用该模型，我们可以了解VAZ周期的哪些组件在光保护中很重要，以及系统如何在先前的暴露后更快地做出反应。”

　　从这些结果中得出的见解是，VAZ周期的三部分性质是藻类光保护记忆的关键。当明亮的光线打开时，V转化为a, a转化为Z，分子最能消散额外的光能。当灯熄灭时，Z转换回A，最终变为V。

　　然而，各种转换以不同的速率发生。当强光关闭时，从A到V的转换比Z到A的转换慢得多，所以如果强光突然重新亮起，系统可以逆转方向，迅速补充Z的浓度。这些转换率的差异就像一个缓冲，减缓了关键步骤，并允许系统在需要时迅速改变方向。

　　加州大学伯克利分校伯克利实验室生物科学领域的研究生、该研究的共同主要作者奥黛丽·肖特说:“植物不知道在任何时候会有什么样的光照条件，所以这种记忆意味着，在光照不足的时候，当它们运转效率最高的时候，它们仍然准备好了，如果另一个强光、高压力的事件发生，它们就会做好保护的准备。”

　　弗莱明说:“人们想象植物和藻类就像绿色太阳能电池一样被动地吸收阳光，但这绝对不是真的。”“他们一直在做出反应，不断适应环境中发生的事情。”

　　该研究还研究了海洋海参突变体的VAZ循环，这些突变体经过基因改造，抑制了参与光保护反应的关键分子的活性。

　　研究人员测量了这些突变菌株的光耗散行为，并将结果与数学模型的预测结果进行了比较，在数学模型中，他们通过将这些关键分子的活性设置为零来模拟突变。令他们惊讶的是，研究人员发现实验和预测之间几乎完美吻合，这让他们对模型的有效性和稳健性更有信心。

　　在这项工作的基础上，研究小组现在正在探索一种被设计成只有两部分光保护反应系统的藻类的行为。研究人员还计划将他们的研究扩展到植物上，植物比藻类复杂得多，并且有额外的机制来响应光的波动。