Мутация снижает энергетические потери у растений

Международная команда исследователей изучила, как мутации в модельном растении Arabidopsis thaliana влияют на фотосинтетическую эффективность. Для этого команда идентифицировала несколько тысяч белков, определила их количество в мутантных и контрольных линиях и объединила эти данные с измерениями фотосинтетической активности. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications 3 апреля 2020 года.

Мутации вызывают дефекты

Для совместного исследования команда под руководством доктора Юлии Гриммер и профессора Саши Багински использовала Arabidopsis thaliana в качестве модельного организма. Были изучены две ключевые мутации:

1. Дефект импорта белков в хлоропласты. Это препятствует производству достаточного количества хлорофилла — растения становятся альбиносами.
2. Нарушение функции протеасомы — белкового комплекса, ответственного за деградацию белков в цитоплазме.

Двойной дефект улучшает производительность

Комбинация этих двух мутаций привела к появлению нового фенотипа. Растения стали зеленее альбиносов и показали более высокий уровень фотосинтеза. Этот результат оказался контринтуитивным: добавление второго дефекта улучшило функцию.

Исследователи интерпретируют это так:

• Из-за мутации протеасомы в цитоплазме становится доступно больше белков для хлоропластов.
• Даже при нарушенном транспорте часть этих белков всё же попадает в хлоропласты, что позволяет синтезировать больше хлорофилла, чем у альбиносов.
• У двойного мутанта также увеличилось количество тилакоидных мембран, где расположены функциональные фотосинтетические комплексы.

Исследования дикого типа Arabidopsis показали, что улучшение фотосинтетической производительности из-за мутации протеасомы происходит и независимо от мутации импорта.

Механизм защиты и потенциал

Учёные предполагают, что в норме протеасома постоянно разрушает белки хлоропластов в цитоплазме, защищая растение от потенциального повреждения из-за избыточного фотосинтеза. Это приводит к затратам энергии, которую можно было бы использовать для наращивания биомассы.

Мутация протеасомы, нарушающая деградацию белков, снижает этот ограничивающий фактор и делает фотосинтез более эффективным. Поскольку все фотосинтезирующие организмы защищаются схожими механизмами, исследователи полагают, что этот эффект может быть перенесён и на высшие растения. Это потенциально может помочь сделать преобразование углекислого газа в биомассу более эффективным.

Выводы основаны на комплексном анализе протеома растений, включающем идентификацию и количественное определение тысяч белков у разных мутантов.