Неожиданное открытие об иконном биохимическом цикле Кальвина-Бенсона

Цикл Кальвина-Бенсона ассимилирует почти весь углерод в растениях и является одним из важнейших биохимических циклов для жизни на Земле. Считается, что он самодостаточен, поскольку регенерирует собственный субстрат. Недавняя публикация в New Phytologist ставит эту классическую точку зрения под сомнение.

Авторы проанализировали изотопы водорода в крахмале листьев подсолнечника и представили данные, согласующиеся с потоком углерода через окислительный пентозофосфатный путь. По-видимому, этот путь пополняет промежуточные соединения цикла Кальвина-Бенсона при определённых условиях окружающей среды. Поскольку путь связан с высвобождением диоксида углерода (CO₂), можно ожидать, что он влияет на продуктивность растений и обмен углеродом между биосферой и атмосферой.

Ключевые выводы исследования:

• Метод: Использован протокол на основе современной ЯМР-спектроскопии для анализа изотопов водорода с высочайшим разрешением — на уровне отдельных атомов водорода в мономерах глюкозы крахмала.
• Результат: Обнаружены изотопные сигнатуры, указывающие на активацию окислительного пентозофосфатного пути, который синтезирует рибулозо-5-фосфат (Ru5P) — предшественник субстрата цикла Кальвина, рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP).
• Условия: Вклад Ru5P значительно возрастает при снижении концентрации CO₂ внутри листьев, что часто наблюдается при засухе.
• Вывод: Цикл Кальвина-Бенсона не является полностью самодостаточным в отношении своего субстрата, что противоречит общепринятому мнению.
• Последствия: Активация этого пути, связанная с выделением CO₂ и производством энергии (NADPH), может влиять на продуктивность растений, обмен CO₂ с атмосферой, а значит, на продовольственную безопасность и климат.
• Гипотеза: Авторы предполагают, что такая метаболическая перестройка может поддерживать ассимиляцию азота с участием фотодыхания (которое также активнее при низком CO₂). С более широкой (не центрированной на углероде) точки зрения, смещение акцента с ассимиляции углерода на ассимиляцию азота в условиях его дефицита может быть оправдано для долгосрочной продуктивности растения.

«Почему растения активируют путь, который высвобождает CO₂ в условиях, когда поступление CO₂ уже низкое, — безусловно, один из самых интересных вопросов, возникших в результате нашей работы», — говорит ведущий учёный проекта Томас Вилох.