Как хвойные деревья сохраняют зелёные иголки зимой

Международная команда учёных, включая исследователей из Университета Умео, выяснила, почему хвойные деревья, такие как сосны, ели и пихты, остаются зелёными в течение суровой бореальной зимы. Оказалось, что их фотосинтетический аппарат использует особый "короткий путь" для защиты. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Проблема зимнего фотосинтеза

Зимой и ранней весной низкие температуры останавливают большинство биохимических реакций. Однако световая энергия продолжает поглощаться молекулами хлорофилла. Это создаёт риск повреждения белков фотосинтетического аппарата избыточной энергией, особенно при ярком солнце и морозе.

Обнаруженный защитный механизм

В норме две фотосистемы (функциональные единицы, преобразующие свет в химическую энергию) разделены для эффективного фотосинтеза. Учёные обнаружили, что зимой структура тилакоидной мембраны, где расположены фотосистемы, меняется. Это приводит к их физическому контакту.

• Фотосистема II начинает напрямую передавать энергию фотосистеме I.
• Этот "короткий путь" (spill-over) действует как мощный защитный клапан, отводя избыточную энергию и предотвращая повреждение хлорофилла и всего аппарата.

Методы исследования

Учёные три сезона наблюдали за соснами в Умео (Северная Швеция), анализируя иголки "прямо с улицы", чтобы избежать адаптации к лабораторной температуре. Они использовали:

• Электронную микроскопию для визуализации структуры тилакоидной мембраны.
• Сверхбыстрый флуоресцентный анализ с разрешением в пикосекунды, адаптированный для работы с холодными иголками. Этот метод позволил отследить, как иголки управляют избыточной световой энергией.

"Иголки сосны дали нам возможность изучить этот механизм короткого замыкания, поскольку они демонстрируют экстремальную адаптацию", — отмечает Альфред Хольцварт, разработавший метод флуоресцентных измерений.

Значение открытия

Хотя исследование проводилось на соснах, учёные полагают, что аналогичный механизм существует у других хвойных (ель, пихта) из-за сходства их фотосинтетического аппарата.

"Эта замечательная адаптация не только радует нас во время Рождества, но и чрезвычайно важна для человечества, — говорит профессор Стефан Янссон из Университета Умео. — Если бы хвойные не смогли выживать в экстремальных зимних условиях, обширные территории Северного полушария, возможно, не были бы заселены, так как хвойные давали дрова, материал для жилья и другие necessities. И сегодня они остаются основой экономики большей части циркумполярного таёжного региона".