Ученые исследуют фотосинтез для улучшения роста растений при искусственном свете
Фотосинтез — процесс преобразования солнечного излучения в химическую энергию растениями, водорослями и некоторыми бактериями — должен адаптироваться к изменениям интенсивности света для обеспечения своей эффективности.
Органеллы в клетках растений, подобно зрачку человека, меняются в ответ на солнечный свет. Однако растения не могут "отвести взгляд" или уйти в тень, поэтому им необходимо справляться с разным уровнем излучения, включая его отсутствие ночью.
Фотосинтез жизненно важен: он производит большую часть атмосферного кислорода, обеспечивает пищу, связывает углерод из атмосферы и смягчает последствия изменения климата.
Исследования в лаборатории профессора Зива Райха (Институт Вейцмана) направлены на раскрытие тайн фотосинтеза для его более эффективного использования или имитации искусственными методами.
В фотосинтезе энергия солнца улавливается за счет потока электронов между белками внутри органеллы хлоропласта. Его мембранная система включает как плотные стопки, так и более обширные структуры.
Ранее считалось, что такое пространственное строение заставляет электроны преодолевать большие расстояния между белками, замедляя фотосинтез. Однако в статье в Nature Plants группа под руководством доктора Рейнат Нево показала, что при переходе от темноты к свету мембраны меняют свою пространственную организацию, сближая белки и сокращая путь для электронов.
Это открытие было сделано с помощью крио-сканирующего электронного микроскопа, сравнивавшего расположение белков в мембранах на свету и в темноте.
"Мы поняли, что позиции самих белков не меняются, как думали раньше, — меняется организация мембран в пространстве", — объясняет Нево.
Дальнейшие исследования с просвечивающим электронным микроскопом подтвердили, что мембраны действительно перестраиваются, сближая белки. Вероятно, в темноте мембраны отдаляются друг от друга, чтобы изолировать и защитить белки при слабом свете и низкой фотосинтетической активности.
После этого открытия ученые провели эксперимент с двумя группами генетически модифицированных растений:
- В одной мембраны были "зафиксированы" в режиме активного света (фотосинтез).
- В другой — в режиме постоянной темноты, не позволяющем им сближаться.
Растения из первой группы выросли крупнее и показали более высокую фотосинтетическую активность по сравнению со второй группой.
В будущем Нево и коллеги планируют выяснить, можно ли выращивать генетически модифицированные растения с регулируемой структурой мембран при слабом освещении. Это может помочь экономить энергию при культивировании растений под искусственным светом, что может стать необходимостью из-за изменения климата.
Исследование посвящено памяти доктора Эяля Шимони, внесшего важный вклад в микроскопию для этой работы.
В работе также участвовали доктор Юваль Гарти и Юваль Буси из группы Райха; доктор Смадар Левин-Зайдман; профессор Хельмут Кирххоф из Университета штата Вашингтон и доктор Дана Харуви из Института Вулкани.