Хвоя хвойных потребляет кислород в сложных условиях
Растения производят кислород в процессе фотосинтеза — это общеизвестный факт. Однако международная группа исследователей показала, что, особенно ранней весной при сочетании низких температур и высокой освещенности, хвоя сосны и ели потребляет, а не производит кислород, используя древний механизм. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Фотосинтез в тилакоидных мембранах хлоропластов листьев обычно выделяет кислород и производит углеводы. Растения также дышат, потребляя кислород, например, ночью или в корнях, но днем листья и хвоя считаются «кислородными фабриками».
Старший инженер-исследователь Умеоского университета Татьяна Шутова была удивлена, тестируя новый прибор для измерения выделения кислорода хвоей. Она обнаружила, что образцы зеленых тилакоидных мембран из хвои сосны и ели зимой ведут себя противоположно летним образцам: они потребляют кислород на свету.
«Я думала, что с прибором что-то не так, и повторила измерения, — сказала Татьяна Шутова из группы Стефана Янссона в Центре наук о растениях Умео. — Результаты были воспроизводимы в течение нескольких зим для сосны обыкновенной (Scots pine) и ели европейской (Norway spruce)».
Исследование механизма
Образцы для анализа собирал Пушан Баг, изучавший в своем PhD-проекте, как хвойные остаются зелеными в течение долгих холодных бореальных зим.
Озадаченные результатами, исследователи начали изучать феномен с помощью комбинации современных методов. Вместе с Дмитрием Шевелой из Умеоского университета и профессором Уппсальского университета Йоханнесом Мессингером они использовали специализированный прибор, позволяющий различать производимый и потребляемый кислород.
«Чтобы определить, где именно поглощался кислород, мы использовали метод исключения других возможных путей его потребления. В итоге остался только один вариант: потребление кислорода происходило вокруг фотосистемы I — одного из двух основных комплексов фотосинтеза — и вовлекало особый тип белков, называемых Flavodiiron proteins», — объяснил Пушан Баг, ныне стипендиат программы Human Frontiers в Оксфордском университете.
В команду также вошли Санчали Нанда и Йенна Лихавайнен из Умеоского университета и Александр Иванов из Университета Западного Онтарио (Лондон, Канада).
Связь с предыдущими исследованиями
Белки Flavodiiron используются водорослями и цианобактериями для защиты фотосинтетического аппарата от повреждения избыточным светом. Цветковые растения утратили их в ходе эволюции, но хвойные — нет. Данное исследование предполагает, что эти белки также вносят вклад в фотозащиту у хвойных.
В предыдущем исследовании, опубликованном этой же группой три года назад в том же журнале, был идентифицирован другой механизм защиты фотосинтетического аппарата у хвойных — своего рода «короткое замыкание» между фотосистемой II и I.
«Есть интересные параллели между этими двумя исследованиями, — говорит руководитель проекта, профессор клеточной и молекулярной биологии растений Умеоского университета Стефан Янссон. — В обоих случаях хвойные сохранили процесс, присутствующий у низших растений, но утраченный цветковыми растениями или не используемый ими в той же степени. Похоже, хвойные приняли стратегию "лучше перестраховаться", которая может быть менее эффективной в оптимальных условиях, но делает их более конкурентоспособными в суровом климате».