Непостоянный солнечный свет замедляет работу фермента Рубиско и ограничивает продуктивность фотосинтеза сельскохозяйственных культур

Исследователи из Ланкастерского университета, работающие над повышением устойчивой продуктивности ключевых культур в Африке к югу от Сахары, обнаружили несовершенство в критически важном ферменте у коровьего гороха (вигны) и полагают, что оно, вероятно, характерно и для других культур.

Весь углерод в наших телах, пище и всей биосфере является результатом усвоения углекислого газа в процессе фотосинтеза одним ферментом, известным биологам как Рубиско. Неудивительно, что этот белок — самый распространённый в мире.

«Рубиско играет центральную роль в фотосинтезе и часто ограничивает усвоение углерода у сельскохозяйственных растений, — говорит Элизабете Кармо-Силва, профессор физиологии растений в Ланкастерском университете. — Листья регулируют активность Рубиско в зависимости от количества солнечной энергии. Однако мы обнаружили, что эта регуляция несовершенна, и часто возникает несоответствие между активностью Рубиско и доступной для фотосинтеза солнечной энергией».

В новом исследовании, опубликованном в Nature Plants, профессор Кармо-Силва и старший научный сотрудник доктор Сэм Тейлор обнаружили, что когда листья вигны попадают в тень, активность фермента Рубиско падает быстрее, чем считалось ранее.

Это важно, потому что каждый день, когда солнце движется по небу над посевами, листья попеременно оказываются то на солнце, то в тени от соседей. Когда затенённый лист снова оказывается на солнце, активности Рубиско требуется несколько минут, чтобы «разогнаться» до нового уровня доступной энергии, что приводит к упущенным возможностям превратить эту энергию в сахара. Суммарный эффект этих потерянных минут продуктивности за день оценивается как минимум в 20% от потенциального поглощения CO₂.

«Фотосинтетические реакции не мгновенны. Листьям требуется довольно много минут, чтобы адаптироваться при переходе из тени на яркий свет, и в эти минуты лист усваивает не столько CO₂, сколько мог бы при доступной световой энергии, поэтому потери существенны», — пояснила профессор Кармо-Силва, руководящая этим исследованием в рамках проекта Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE).

Количество углерода, теряемого в процессе работы Рубиско, зависит не только от скорости его повторной активации, но и от стартовой точки — активности Рубиско в момент возврата солнечного света. Этот фактор определяется скоростью естественной деактивации Рубиско, происходящей в тени. Более быстрая деактивация означает большие потери в усвоении углерода.

Исследователи использовали высокопроизводительный биохимический метод и показали, что листьям вигны достаточно провести в тени всего пять минут, чтобы активность Рубиско упала до минимума. Таким образом, даже кратковременное затенение листьев снижает фотосинтетическую продуктивность растения.

Несмотря на эти сложности, есть причины для оптимизма. Из тысяч существующих разновидностей вигны были измерены только четыре, но исследователи обнаружили различия в скорости деактивации Рубиско. Это даёт надежду, что в более широком генофонде вигны можно найти растения с гораздо более медленными темпами деактивации Рубиско. Это позволит проводить целенаправленную селекцию вигны и, возможно, других культур, повышая продуктивность за счёт минимизации влияния этого вновь выявленного несовершенства в работе Рубиско.