Расшифровка тайного языка фотосинтеза

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде (UC Riverside) расшифровали сигналы, которые растения посылают сами себе для запуска фотосинтеза — процесса превращения солнечного света в сахара. Ранее эти сигналы были непонятны ученым.

Ботаникам уже полвека известно, что командный центр растительной клетки — ядро — отправляет инструкции другим частям клетки, заставляя их запускать фотосинтез. Эти инструкции — белки, и без них растения не станут зелеными и не будут расти.

«Нашей задачей было то, что ядро кодирует сотни белков, содержащих строительные блоки для более мелких органелл. Определить, какие из них являются сигналом для запуска фотосинтеза, было все равно что искать иголку в стоге сена», — сказал профессор ботаники UCR Мэн Чен.

Процесс, который ученые из лаборатории Чена использовали для обнаружения четырех таких белков, описан в статье в Nature Communications.

Ранее команда Чена показала, что определенные белки в ядрах растений активируются светом, запуская фотосинтез. Эти четыре вновь идентифицированных белка являются частью этой реакции: они посылают сигнал, который превращает мелкие органеллы в хлоропласты, генерирующие сахара для роста.

Чен сравнивает весь процесс фотосинтеза с симфонией:

• Дирижеры — это белки-фоторецепторы в ядре, реагирующие на свет. В этой работе показано, что и красно-, и синечувствительные фоторецепторы запускают «симфонию». Они активируют гены, кодирующие строительные блоки фотосинтеза.
• Уникальность в том, что «симфония» исполняется в двух «комнатах» клетки: местными (ядро) и удаленными «музыкантами». Поскольку «дирижеры» (фоторецепторы) присутствуют только в ядре, они должны отправить удаленным «музыкантам» сообщения на расстояние. Этот последний шаг контролируется четырьмя новооткрытыми белками, которые путешествуют из ядра в хлоропласты.

Эта работа финансировалась Национальными институтами здоровья (NIH) в надежде, что она поможет в поиске лечения рака. Эта надежда основана на сходстве хлоропластов в растительных клетках и митохондрий в клетках человека. Обе органеллы вырабатывают «топливо» для роста и содержат генетический материал.

В настоящее время многие исследования описывают коммуникацию от органелл обратно к ядру. Если с органеллами что-то не так, они посылают сигналы в «штаб-квартиру» — ядро. Гораздо меньше известно о сигналах, регулирующих активность, которые отправляются из ядра в органеллы.

«Ядро может контролировать экспрессию генов митохондрий и хлоропластов схожим образом. Таким образом, принципы, которые мы изучим на пути коммуникации от ядра к хлоропласту, могут углубить наше понимание того, как ядро регулирует гены митохондрий и их дисфункцию при раке», — сказал Чен.

Понимание того, как контролируется фотосинтез, имеет значение не только для исследований болезней. Поселения людей на другой планете, вероятно, потребуют выращивания растений в помещении и создания схемы освещения для повышения урожайности в таких условиях. Более того, изменение климата уже сейчас создает проблемы для растениеводов на Земле.

«Причина, по которой мы можем выжить на этой планете, заключается в том, что такие организмы, как растения, способны к фотосинтезу. Без них не было бы животных, включая людей. Полное понимание и способность управлять ростом растений жизненно важны для продовольственной безопасности», — заключил Чен.