Водное растение Ottelia alismoides использует три механизма концентрации CO₂ одновременно

Новое исследование, проведенное Уханьским ботаническим садом Китайской академии наук, выявило уникальную особенность водного растения Ottelia alismoides: оно может одновременно использовать три различных механизма концентрации CO₂ (ССМ). Это открытие дает новое понимание того, как эти пути, долгое время считавшиеся несовместимыми в одной растительной ткани, могут работать совместно.

Многие растения максимизируют эффективность фотосинтеза с помощью ССМ, причем классическими биохимическими путями являются C4-фотосинтез и кислотный метаболизм толстянковых (CAM). Эти два пути обычно считаются несовместимыми в одной ткани из-за значительных различий во времени фиксации углерода, пространственной организации и транспорте метаболитов.

Ottelia alismoides является исключением. Оно уникально обладает всеми тремя основными ССМ:

  • Конститутивный C4-фотосинтез (подтип NAD-ME)

  • Индуцибельный CAM

  • Утилизация бикарбоната (HCO₃⁻)

Молекулярные и физиологические механизмы, позволяющие этим трем ССМ координироваться на клеточном уровне без помех, оставались неясными.

Чтобы решить эту проблему, исследователи выращивали O. alismoides при высоких и низких концентрациях CO₂. Они сочетали суточный отбор проб с рядом передовых методов: анализ активности ключевых ферментов, субклеточная локализация, транскриптомика, протеомика и мечение изотопом ¹³C. Этот системный подход позволил раскрыть механизм кооперативной интеграции C4-фотосинтеза, CAM и утилизации HCO₃⁻ в отдельных клетках растения.

Исследование, опубликованное в New Phytologist, показало, что O. alismoides, в отличие от типичных C4-растений подтипа NAD-ME (где первой стабильной углеродной формой является аспартат), использует малат, образующийся под действием цитозольной малатдегидрогеназы. Ключевым является то, что растение достигает эффективной координации трех ССМ за счет временной регуляции изоформ ключевых ферментов с различными паттернами экспрессии.

  • Ночью фосфорилированная изоформа 3 фосфоенолпируваткарбоксилазы (PEPC) фиксирует углерод. Затем он превращается в малат под катализом изоформы 2 малатдегидрогеназы 1 (MDH1). Образовавшийся малат транспортируется в вакуоли с помощью повышенной экспрессии тонопластного дикарбоксилатного транспортера (TDT), завершая цикл CAM.

  • Днем HCO₃⁻, поставляемый карбоангидразой 1 (αCA1) и белком-переносчиком растворенных веществ (SLC4), фиксируется фосфорилированной изоформой 2 PEPC. Это инициирует C4-метаболизм, при котором малат синтезируется под катализом изоформы 1 MDH1.

Малат как из CAM- (ночной), так и C4- (дневной) путей затем транспортируется в митохондрии через дикарбоксилатный транспортер (DTC). Там он декарбоксилируется NAD-ME, высвобождая CO₂ для питания цикла Кальвина в хлоропластах.