Как хлоропласты сторожевых клеток получают энергию

Вопрос о том, осуществляют ли сторожевые клетки (СК) фотосинтез, обсуждался десятилетиями. Ранние исследования предполагали, что хлоропласты сторожевых клеток (ХСК) не могут фиксировать CO₂, но более поздние работы утверждали обратное. До недавнего времени оставалось спорным, играют ли ХСК и/или фотосинтез СК прямую роль в движениях устьиц. Доктор Бун Леонг ЛИМ, доцент Школы биологических наук Гонконгского университета, в сотрудничестве с доктором Дианой САНТЕЛИЕЙ из ETH Zürich, обнаружил истинный источник энергии для СК и разрешил эту загадку. Результаты были недавно опубликованы в престижном журнале Nature Communications.

Утром солнечный свет вызывает открытие устьиц — крошечных пор на листьях растений. Это позволяет CO₂ поступать внутрь, а O₂ — выходить, усиливая фотосинтез. Открытие устьиц потребляет большое количество аденозинтрифосфата (АТФ), клеточной энергетической «валюты», но источники АТФ для этого процесса оставались неясными. Некоторые исследования предполагали, что ХСК осуществляют фотосинтез и экспортируют АТФ в цитозоль для обеспечения энергией открытия устьиц. В хлоропластах мезофилла АТФ и НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) генерируются в фотосистемах и используются как топливо для фиксации CO₂.

Используя флуоресцентные белковые сенсоры in planta, команда доктора Буна Леонг Лима в HKU смогла визуализировать продукцию АТФ и НАДФН в реальном времени в хлоропластах клеток мезофилла (ХКМ) модельного растения Arabidopsis thaliana. «Однако мы не смогли обнаружить какой-либо продукции АТФ или НАДФН в ХСК во время освещения. Озадаченные этим неожиданным наблюдением, мы связались с экспертом по метаболизму сторожевых клеток, доктором Дианой Сантелией из ETH Zürich, для сотрудничества», — сказал доктор Лим. За последнее десятилетие лаборатория Сантелии предоставила глубокие и важные данные о метаболизме крахмала и сахаров в сторожевых клетках (СК), окружающих устьичные поры на поверхности листа.

В совместной работе команда показала, что в отличие от клеток мезофилла (КМ), фотосинтез в СК слабо активен. Сахара, синтезированные и поставляемые КМ, импортируются в СК и потребляются митохондриями для генерации АТФ, необходимого для открытия устьиц. В отличие от ХКМ, ХСК поглощают цитозольный АТФ через нуклеотидные транспортеры (NTT) на мембране хлоропласта, чтобы обеспечить энергией синтез крахмала в дневное время. На рассвете, в то время как КМ начинают синтезировать крахмал и экспортировать сахарозу, СК расщепляют крахмал на сахара, чтобы обеспечить энергию и повысить тургорное давление для открытия устьиц. Таким образом, функция ХСК как хранилища крахмала важна для открытия устьиц. В то время как КМ фиксируют CO₂ в хлоропластах с помощью цикла Кальвина–Бенсона–Бешема (CBB), фиксация CO₂ в цитозоле является основным путем ассимиляции CO₂ в СК, где конечный продукт малат также является важным осмотически активным веществом для увеличения тургорного давления при открытии устьиц. В заключение, СК ведут себя скорее как ткань-сток (получают сахара), чем как ткань-источник (поставляют сахара). Их функция тесно связана с функцией КМ для эффективной координации поглощения CO₂ через устьица и фиксации CO₂ в КМ.

«Я была очень взволнована, когда доктор Лим связался со мной с предложением о сотрудничестве в этом проекте», — сказала доктор Диана Сантелия. «Мы пытались прояснить эти фундаментальные вопросы с помощью подходов молекулярной генетики. Объединение наших соответствующих экспертиз оказалось выигрышной стратегией», — продолжила она. Доктор Шейли ЛИМ, первый автор статьи и бывший аспирант группы Лима, отметила: «Разработанные нами флуоресцентные белковые сенсоры in planta — мощные инструменты для визуализации динамических изменений концентраций энергетических молекул в отдельных растительных клетках и органеллах, что позволило нам решить некоторые ключевые вопросы биоэнергетики растений. Я рада, что мы публикуем наши открытия в Nature Communications, используя эту новую технологию».