Исследователи обнаружили потенциальную связь между изменением климата и питательностью растений
Новое исследование Мичиганского университета подчеркивает, как много нам еще предстоит узнать о том, как растения будут функционировать и насколько они будут питательными при увеличении содержания углерода в атмосфере.
Этот же приток углерода способствует изменению климата, что означает, что новая работа, опубликованная в журнале Nature Plants, может раскрывать неожиданный способ, которым это глобальное явление меняет природу и нашу жизнь.
«Мы видим, что существует связь между изменением климата и питательностью», — сказал Беркли Уокер, доцент кафедры биологии растений. «Это то, о чем мы даже не думали, когда начинали».
Хотя повышенный уровень углекислого газа может быть полезен для фотосинтеза, Уокер и его лаборатория также показали, что увеличение уровня CO2 может влиять на другие метаболические процессы в растениях. Эти менее известные процессы могут иметь последствия для таких функций, как производство белка.
«Растения любят CO2. Если дать им больше, они произведут больше пищи и будут расти крупнее», — сказал Уокер. «Но что, если вы получите более крупное растение с более низким содержанием белка? Оно будет менее питательным».
Пока рано с уверенностью утверждать, что растениям грозит будущее с низким содержанием белка, сказал Уокер. Но новое исследование поднимает неожиданные вопросы о том, как растения будут производить и метаболизировать аминокислоты — строительные блоки белков — при повышенном содержании углекислого газа.
«Чем больше мы знаем о том, как растения используют различные метаболические пути в изменяющихся условиях, тем лучше мы можем найти способы управлять метаболическим потоком и, в конечном итоге, создавать растения, которые будут более эффективными и питательными», — сказал первый автор статьи, постдок Синью Фу.
Фотореспирация: второй шанс для фотосинтеза
Основы фотосинтеза известны: растения берут воду и углекислый газ из окружающей среды и с помощью солнечного света превращают их в сахар и кислород.
Но иногда этот процесс начинается с ошибки. Фермент, ответственный за сбор углекислого газа, может вместо этого захватывать молекулы кислорода. Это создает побочный продукт, который, если его не контролировать, по сути, задушит растение. К счастью, растения эволюционировали и получили процесс, называемый фотореспирацией, который удаляет вредный побочный продукт и позволяет ферменту снова попытаться провести фотосинтез.
Фотореспирация не так известна, как фотосинтез, и иногда имеет плохую репутацию, потому что она потребляет углерод и энергию, которые можно было бы использовать для производства пищи. Как бы она ни была неэффективна, фотореспирация лучше альтернативы.
«Это похоже на переработку отходов», — сказал Уокер. «Было бы здорово, если бы она не была нужна, но раз уж мы производим отходы, мы можем их использовать».
Для выполнения своей работы фотореспирация включает углерод в другие молекулы или метаболиты, некоторые из которых являются аминокислотами — предшественниками белков. «Так что фотореспирация — это не просто переработка, это может быть апсайклинг», — сказал Уокер.
Детективная работа в метаболизме
Сложилась теория, что аминокислоты, производимые фотореспирацией, остаются в замкнутом цикле, ограниченном определенными органеллами и биохимическими процессами.
Теперь исследователи из MSU показали, что это не всегда так. В частности, они продемонстрировали, что аминокислоты глицин и серин способны вырваться за пределы этого замкнутого цикла.
Что в конечном итоге происходит с этими соединениями — открытый вопрос, который может стать все более важным по мере роста уровня углекислого газа. Растения меньше фотореспирируют, когда доступно больше CO2, поэтому ученым необходимо глубже изучить, как растения производят и используют эти аминокислоты в целом.
Новая методика и открытие
Открытие стало возможным благодаря новой методике. Исследователи «кормили» растения особым типом углекислого газа, в атомах углерода которого был на один нейтрон больше, чем в обычном атмосферном углероде.
Коллаборация в MSU имела инструменты и опыт, необходимые для измерения этой тонкой разницы в массе. Эти измерения в сочетании с вычислительным моделированием позволили исследователям проследить за этим немного более тяжелым углеродом и увидеть, как растения включают его на разных метаболических стадиях в условиях, благоприятствующих фотореспирации.
«Эта новая методика позволила лучше и более количественно понять важные метаболические пути в растениях», — сказал Фу. «С помощью нового подхода к потокам мы начали раскрывать динамическое состояние метаболических путей и понимать метаболизм как целостную систему».
«Я сказал, что моя лаборатория может это сделать, в своем заявлении на работу, но я не был полностью уверен, что это сработает», — сказал Уокер. То, что это сработало, — заслуга команды, в которую также вошли аспирант Люк Грегори и профессор-исследователь Шон Вайс, а также других коллег из MSU.