Молекулярное разнообразие и эволюция фотосинтеза в дальнем красном свете

Исследование под руководством доктора Кристофера Гизриеля из Йельского университета и доктора Танаи Кардоны из Лондонского университета королевы Марии, опубликованное в Frontiers in Plant Science, проливает новый свет на происхождение и эволюцию уникального типа фотосинтеза. Он позволяет некоторым бактериям, в частности цианобактериям, использовать дальний красный свет.

Дальний красный свет (700–800 нанометров, нм), почти невидимый для человеческого глаза, содержит меньше энергии, чем стандартный видимый диапазон (400–700 нм), и обычно не используется для фотосинтеза. Понимание способности цианобактерий использовать этот свет важно для создания концептуальных основ по выведению улучшенных растений с расширенными возможностями поглощения света для биотехнологии и сельского хозяйства.

Результаты исследования также имеют значение для поиска внеземной жизни. Звёзды М-карлики, самый распространённый тип звёзд во Вселенной, излучают гораздо больше дальнего красного света, чем видимого. Планеты, вращающиеся вокруг них, могут быть потенциальными убежищами для жизни, использующей дальний красный фотосинтез.

Анализ показал, что способность использовать дальний красный свет эволюционировала в два этапа:

• Ранний этап: Цианобактерии создали новый пигмент — хлорофилл f, позволивший фотосистеме впервые улавливать дальний красный свет. Также была модифицирована фотосистема, способная использовать этот пигмент для реакции выделения кислорода, используя только свет низкой энергии. Этот этап, возможно, начался у предковых форм цианобактерий около 3 миллиардов лет назад.
• Поздний этап: Примерно 2 миллиарда лет назад способность улавливать дальний красный свет была оптимизирована за счёт эволюции второй модифицированной фотосистемы, включившей хлорофилл f в ключевых местах. Эта фаза совпала с диверсификацией цианобактерий в существующие сегодня линии.

Важно, что исследование также обнаружило свидетельства того, что фотосинтез дальнего красного света может быть приобретён цианобактерией через горизонтальный перенос генов. Это означает, что сложный признак может быть успешно внедрён в фотосинтезирующий организм, ранее не адаптированный к использованию дальнего красного света.

Исследование подчёркивает сложную и адаптивную природу фотосинтетических систем и открывает новые горизонты для понимания эволюции организмов в различных условиях. Оно также закладывает основу для будущих работ по оптимизации использования света в биотехнологии и сельском хозяйстве, что может привести к улучшению штаммов водорослей или сельскохозяйственных культур для условий с недостаточным освещением.