Ионные транспортеры в хлоропластах влияют на эффективность фотосинтеза

Исследование под руководством биолога растений LMU Ханса-Хеннинга Кунца открывает новую роль ионных транспортеров: они участвуют в регуляции генов в хлоропластах.

У растений фотосинтез происходит во внутриклеточных «фабриках» — хлоропластах. Хлоропласты эволюционировали из фотосинтезирующих цианобактерий, которые были поглощены не фотосинтезирующей клеткой. В результате этого события хлоропласты имеют две оболочочные мембраны и сохранили функциональные остатки своего исходного бактериального генома. Группа Хеннинга Кунца (LMU Biocenter) и их коллабораторы показали, что белки, участвующие в транспорте ионов во внутренней мембране хлоропласта, участвуют в регуляции экспрессии генов в органелле, играя важную роль в контроле фотосинтеза.

Фотосинтез происходит в высокоспециализированной системе тилакоидных мембран внутри хлоропласта, окруженной внутренней и внешней оболочкой. Среди белков внутренней мембраны есть ионные транспортеры, регулирующие ионный баланс в строме — среде, омывающей тилакоиды в центре органеллы. Строма также содержит ДНК-геном хлоропласта и рибосомы для синтеза кодируемых им белков. Фотосинтез критически зависит от скоординированной экспрессии генома хлоропласта и генов, находящихся в ядре клетки. «На модели растения Arabidopsis thaliana мы показали, что ионный баланс в строме играет роль в обмене регуляторной информацией между хлоропластами и ядром», — говорит Кунц.

Ранее он наблюдал, что при удалении двух генов, кодирующих специфические ион-транспортные белки, развитие хлоропластов задерживалось, а рост растений замедлялся. «Наши эксперименты показывают, что в отсутствие этих транспортеров определенные РНК-связывающие белки, кодируемые ядерными генами, не могут связываться со своими целевыми РНК в строме хлоропластов», — объясняет он. В результате ингибируется процессинг и созревание этих РНК, необходимых для переноса генетической информации из генома хлоропласта в белки стромы. «Особенно значимо этот дефект влияет на РНК, необходимые для сборки рибосом в строме. Снижение числа функциональных рибосом серьезно нарушает синтез белков хлоропласта у этих мутантов», — поясняет Кунц.

Результаты исследования могут помочь в попытках повысить эффективность фотосинтеза в неблагоприятных условиях, что адаптирует сельскохозяйственные культуры к изменению климата. «Ионные транспортеры могут служить важными инструментами в этом контексте», — говорит Кунц. «Эффективность фотосинтеза сильно зависит от биохимии стромы. Эти транспортные белки оказывают важное влияние на этот тонко настроенный баланс. Только детальное понимание их структуры и сложных функций позволит манипулировать их действием и извлекать из этого пользу».