Odborníci z katedry biofyziky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého se budou podílet na mezinárodním výzkumu regulací fotosyntézy rostlin, na který tým vědců z Česka, Francie, Německa a Nizozemska získal čtyřletý grant z evropského programu Horizon Europe v rámci výzvy EIC Pathfinder Open. Výzkumný projekt Dynamic Regulation of photosynthEsis in light-Acclimated organisMs – DREAM by měl být zahájen letos na jaře. Experti budou studovat fotosyntézu a její regulace pomocí nové metody založené na tzv. vynucených oscilacích. Výsledky výzkumu mohou být v budoucnu využity například při optimalizaci fotosyntézy rostlin.
„Zaměříme se především na studium regulací fotosyntézy, což je velmi složitý proces. Aby fotosyntéza fungovala za různých podmínek, jako je například změna intenzity osvětlení, teploty, množství CO2 či různé další abiotické a biotické stresy, musí být dokonale regulována. Detaily těchto regulací však zatím nejsou objasněny,“ uvedl Dušan Lazár z katedry biofyziky.
Nové poznatky by měl přinést chystaný výzkum fotosyntézy díky vynuceným oscilacím. Vstupní oscilující veličinou bude intenzita osvětlení, výstupním signálem pak především fluorescence chlorofylu. Různé frekvence vstupního signálu mají za následek změny parametrů výstupního signálu. „Analýza výstupního signálu v závislosti na vstupní frekvenci pak nese informace o regulaci zkoumaného systému. V našem případě tedy o regulaci fotosyntézy. Tento postup se standardně používá v inženýrství, avšak dosud nenašel uplatnění v biologii nebo při studiu fotosyntézy,“ upozornil Dušan Lazár, který se zabýval studiem tzv. spontánních fotosyntetických oscilací už v roce 2005.
S konceptem vynucených oscilací pří studiu fotosyntézy, který je zakladem celého grantu, přišel v letech 2002 až 2003 Ladislav Nedbal z jižních Čech, který do konce roku 2021 působil v německém institutu Forschungzentrum Jülich. Zabýval se například biofyzikálními aspekty a metodami studia fotosyntézy. V rámci projektu DREAM bude Ladislav Nedbal působit pod hlavičkou Univerzity Palackého.
Vědci zásluhou vynucených oscilací zjistí regulace fotosyntézy, přičemž odpadne předchozí adaptace rostlin na tmu, kterou vyžadují starší metody výzkumu. „Při novém způsobu měření jsou rostliny adaptované na světlo, takže lze tento postup použít i v polních podmínkách,“ podotkl Ladislav Nedbal. Pokud se odborníkům podaří detailně popsat regulace fotosyntézy, budou moci vytvořit odpovídající modely fotosyntézy a pomocí nich provádět matematické simulace pro různé parametry tohoto modelu. Díky tomu bude možné vytvořit predikce. „Na základě těchto predikcí pak budeme moci navrhnout a provést příslušné experimenty a predikce buď potvrdit, nebo vyvrátit,“ dodal Dušan Lazár.
Pro měření chce mezinárodní tým vědců vyvinout i levný přenosný přístroj, který umožní získat velké množství vstupních dat pomocí konceptu tzv. občanské vědy. „Na servery by pak například farmář z jižní Moravy či severní Kentucky mohl nahrát svoje data a ta by následně byla analyzována i pomoci umělé inteligence. Výsledkem by mohla být časná detekce stresu rostlin, optimalizace fotosyntézy a její zvýšené výtěžky. V úvahu připadá také optimalizace osvětlení a s tím spojené úspory energií potřebných k pěstování rostlin,“ podotkl Ladislav Nedbal.
Hlouběji do složitého procesu regulací fotosyntézy dosud vědci nepronikli zejména kvůli tomu, že používali klasické metody měření její funkce, které jsou už zastaralé. „V laboratoři se funkce fotosyntézy zatím měří například tak, že se rostlina musí nejprve adaptovat na tmu. Poté je vystavena světlu o zvolené konstantní intenzitě. Měří se časový průběh fotosyntetických veličin, jako je rychlost asimilace CO2, vývoje O2 nebo fluorescence chlorofylu. Sledují se i změny v absorpci světla,“ popsal dosavadní metody Dušan Lazár.
I když tímto způsobem měření bylo dosud zjištěno mnoho detailů o funkci fotosyntézy, nové informace už zpravidla nepřináší. „Problém tohoto měření je například počáteční požadavek adaptace na tmu, což v praxi znemožňuje měření na poli nebo obecně na rostlinách adaptovaných na světlo,“ dodal Ladislav Nedbal.
Dušan Lazár a Ladislav Nedbal již nějakou dobu na použití vynucených oscilací při studiu fotosyntézy spolupracují. V roce 2021 publikovali v renomovaném časopisu Plant Physiology znovupředstavení tohoto konceptu (http://doi.org/10.1093/plphys/kiab317).