Ключевой механизм фотосинтеза расшифрован
Новое исследование раскрывает структуру и работу фермента, играющего центральную роль в C4-фотосинтезе — особой форме использования солнечной энергии, дающей преимущества в теплых условиях. Работа под руководством Университета Бонна с участием исследователей из Аргентины, Канады и Университета Дюссельдорфа опубликована в журнале The Plant Cell.
Суть C4-фотосинтеза
Около 3% растений используют C4-фотосинтез, чтобы эффективно усваивать CO2 даже при закрытых устьицах (для предотвращения потери воды на жаре). Они предварительно фиксируют углекислый газ на транспортной молекуле в клетках мезофилла, а затем транспортируют образовавшееся 4-углеродное соединение в обособленные обкладочные клетки. Там CO2 высвобождается для дальнейших реакций фотосинтеза.
Роль фермента C4-NAD-ME
Высвобождение CO2 в обкладочных клетках катализирует специальный фермент — NAD-malate enzyme (C4-NAD-ME). Исследование на примере декоративного растения рода Cleome показало:
- Фермент состоит из двух крупных субъединиц: альфа и бета.
- Альфа-субъединица отвечает непосредственно за высвобождение CO2.
- Бета-субъединица регулирует активность фермента.
Механизм регуляции
Высвобождение CO2 происходит в митохондриях, где протекают и другие метаболические процессы, катализируемые другой, более медленной, не-фотосинтетической версией NAD-ME. Бета-субъединица C4-NAD-ME связывает аспартат — промежуточный продукт цикла C4-фотосинтеза. Это связывание резко повышает активность именно фотосинтетического варианта фермента, направляя предварительно фиксированный CO2 по нужному пути.
Эволюционный путь
Фотосинтетическая версия NAD-ME эволюционировала из медленной митохондриальной. В ходе эволюции гены обеих субъединиц дублировались. Вторая копия гена альфа-субъединицы была утрачена, а оставшийся ген почти не изменился. Одна из копий гена бета-субъединицы, напротив, претерпела множество мутаций, потеряла исходную функцию и приобрела способность регулировать новый фермент.
Значение открытия
Результаты помогают лучше понять эволюцию разных групп C4-растений (например, кукуруза использует для той же цели другой фермент). Это знание может помочь в переносе эффективного механизма C4-фотосинтеза на сельскохозяйственные культуры, которые им не обладают.