松树等针叶树在北半球的冬季如何保持其绿色针叶，而大多数树木却会落叶？科学尚未对此问题提供良好答案，但如今一个国际科学家团队，包括来自于默奥大学的研究人员，已经解开了这个谜团。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。在冬季，光能被绿色的叶绿素分子吸收，但由于低温阻止了大多数生化反应，这些光能无法被光合作用机制中的下游反应利用。
这种现象在早春尤为严重，因为此时气温可能仍然很低，但阳光已经很强，过多的光能会损害光合作用机制中的蛋白质。研究人员发现，光合作用装置以一种特殊的方式连接，使得松树针叶全年都能保持绿色。
在正常条件下，两个光系统（吸收和转换光能的两个功能单元）被分开以防止短路并允许高效的光合作用。在冬季，类囊体膜的结构被重新组织，使得两个光系统在物理上接触。研究人员表明，光系统II直接向光系统I提供能量，这种短路模式在条件变得恶劣时保护了绿色叶绿素和针叶。
“我们在瑞典北部的于默奥追踪了几棵松树三个季节的生长，”于默奥大学的博士生Pushan Bag说，他全年收集样本并进行了许多分析。“能够在户外直接对针叶进行工作至关重要，以防止它们在实验室环境中适应更高的温度。”所有植物都有安全阀来处理过剩的光能，这些光能要么以热能的形式散失，要么以荧光的形式散失。然而，只有针叶树似乎拥有如此强大的阀门，它们可以在极端的北半球冬季保持光合作用装置的完整。
研究团队结合了生物化学和超快荧光分析，这是一种非常复杂的方法，可以解析皮秒时间尺度上的叶绿素荧光。通过这种方式，他们能够展示松树针叶如何处理过剩的光能以保护其敏感的光合作用装置免受损坏。“我们需要调整设备以研究低温下的松树针叶，以便捕捉这种独特的机制，”来自阿姆斯特丹自由大学的Volha Chukhutsina解释说，她进行了大量的超快荧光分析。
“我们还尝试了云杉针叶，但它们很难以合适的方式放入设备中。”
Alfred Holzwarth，开发了时间分辨荧光测量方法，补充说：“松树针叶给了我们研究这种短路机制的机会，也称为溢出，因为它们确实展示了极端的适应性。”这项研究是针对松树进行的，但研究人员认为，对于其他针叶树种，如典型的圣诞树云杉和冷杉，机制可能相似，因为它们的光合作用装置相似。
“这种显著的适应性不仅在圣诞节期间给我们带来欢乐，而且实际上对人类极为重要，”于默奥大学的教授Stefan Jansson说。“如果针叶树不能在极端恶劣的冬季气候中生存，北半球的大片地区可能不会被殖民化，因为针叶树提供了柴火、住房和其他必需品。直到今天，它们仍然是大多数环北极针叶林地区经济的基础。”