Фотодыхание не защищает растения от колебаний освещённости
Немецко-американская исследовательская группа под руководством Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) в сотрудничестве с Институтом молекулярной физиологии растений Общества Макса Планка (MPI-MP) изучила, обладает ли фотодыхание — конкурирующий с фиксацией углерода метаболический путь в фотосинтезе — защитной функцией для растений. Результаты, опубликованные в Nature Communications, важны для селекции сельскохозяйственных культур.
В процессе фотосинтеза растения преобразуют световую энергию в химическую — молекулы АТФ и NAD(P)H. Эта энергия используется, в частности, для фиксации CO2 из воздуха. Ключевой фермент Rubisco фиксирует не только CO2, но и кислород, в результате чего образуется токсичный побочный продукт 2-фосфогликолят. Для его устранения необходим энергозатратный процесс фотодыхания.
Колебания интенсивности света в течение дня приводят к изменению количества доступной химической энергии. Внезапное воздействие яркого света может быть вредным: избыточная световая энергия вызывает фотоокислительное повреждение белков.
Гипотеза исследования состояла в том, что фотодыхание, потребляя избыток химической энергии, может защищать растения от фотоокислительного повреждения при резких колебаниях света.
В исследовании использовали резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana). У части растений (нокаутных) были отключены гены HPR1 и GGT1, кодирующие два ключевых фермента фотодыхания. Растения подвергали разным световым условиям: колеблющемуся и постоянному свету двух интенсивностей.
Результаты опровергли гипотезу: растения с ограниченным фотодыханием росли лучше в условиях колеблющегося света по сравнению с постоянным. «Фотодыхание, по-видимому, не играет ключевой роли в защите растений в фазы сильного света при колеблющихся условиях освещения», — отмечает ведущий автор работы доктор Текла фон Бисмарк.
Компьютерное моделирование, проведённое партнёрами из Потсдама, показало высокую гибкость метаболизма растений. Даже при отсутствии определённых фотодыхательных ферментов растения компенсируют этот недостаток через другие метаболические пути. Для растений без GGT1 было показано, что колеблющийся свет активирует менее вредный в плане фотоокислительного повреждения метаболический путь, чем постоянный свет.
Эти результаты важны для проектов по повышению урожайности сельхозкультур путём синтетического обхода фотодыхания. Активация собственного альтернативного метаболического пути растения в хлоропластах может использоваться для высвобождения CO2 от фотодыхания вблизи Rubisco и улучшения фотосинтеза в условиях динамического освещения.