Метаболиты анаэробного брожения подавляют фотосинтез и дыхание

В модельном организме Chlamydomonas reinhardtii фотосинтез и аэробное дыхание протекают в хлоропластах и митохондриях соответственно, в то время как анаэробное брожение может происходить независимо в цитоплазме, митохондриях и хлоропластах. Как эти три фундаментальных процесса энергетического метаболизма могут гармонично сосуществовать в одной клетке, оставалось малоизученным.

Исследовательская группа под руководством профессора Тянь Лицзиня из Института ботаники Китайской академии наук обнаружила, что метаболиты анаэробного брожения подавляют как фотосинтез, так и аэробное дыхание. Их исследование опубликовано в Nature Communications.

Ранее было показано, что фотосинтезирующие организмы постепенно накапливают протоны в темноте, что приводит к закислению просвета тилакоидов и последующему ингибированию фотосинтеза. Это явление предварительно объясняли либо хлорореспирацией, либо гидролизом АТФ. Однако исследователи исключили эти объяснения, используя мутанты, лишённые соответствующих генов.

В данном исследовании, учитывая, что длительная темновая адаптация концентрированной культуры клеток может привести к аноксии и запустить кислое брожение, учёные предположили, что слабые кислоты, образующиеся в процессе брожения, могли ингибировать фотосинтез.

Для проверки этой идеи они показали, что степень закисления просвета положительно коррелирует с общим накоплением слабых кислот, производимых брожением, тогда как у зелёной водоросли NIES-2499, которая не производит слабых кислот в ходе брожения, закисления не обнаружили.

Это продемонстрировало, что именно брожение ответственно за закисление просвета в темноте. Исследователи также подтвердили, что этот механизм обратной регуляции метаболитами существует у многих различных видов фотосинтезирующих организмов.

Учитывая, что тилакоидная мембрана полупроницаема для молекул слабых кислот, исследователи предложили модель «ионной ловушки»: слабые кислоты в нейтральной форме, будь то экзогенные или произведённые при брожении, могут проходить через липидный бислой и в конечном итоге попадать в тилакоид, в то время как ионизированные ионы не могут его покинуть. В этом случае буферная ёмкость по pH в просвете тилакоида намного ниже, чем в строме, поэтому протоны продолжают накапливаться, пока просвет тилакоида не станет кислым.

«Это исследование раскрывает новый механизм, с помощью которого брожение влияет на фотосинтез и дыхание у фотосинтезирующих организмов. Это важно для изучения химической связи между фотосинтезом, аэробным дыханием и анаэробным дыханием. Это помогает понять основные физиологические процессы фотосинтезирующих организмов и может быть использовано для оптимизации роста растений и усвоения углерода», — сказал профессор Тянь, автор-корреспондент исследования.