Как растения регулируют фотосинтез в ответ на изменение интенсивности света

Исследователи из LMU идентифицировали набор белков, которые позволяют растениям регулировать свой фотосинтез в ответ на колебания интенсивности света, чтобы наилучшим образом использовать доступный свет.

Фотосинтез, самый важный биологический процесс на Земле, управляется солнечным светом. Однако солнечная радиация — непостоянный источник энергии, так как интенсивность доступного света в большинстве сред постоянно меняется. Биологи LMU под руководством профессора Петера Гайгенбергера в сотрудничестве с исследователями из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка в Потсдаме и Университета Парижа определили ряд белков, необходимых для способности фотосинтеза адаптироваться к колеблющимся уровням освещённости. Результаты опубликованы в журнале Molecular Plant.

Для оптимального роста растениям необходимо поддерживать высокую и стабильную скорость фотосинтеза, и для этого они должны быстро реагировать на внезапные изменения интенсивности света. При резком увеличении светового потока избыточная энергия либо рассеивается в виде тепла, либо перенаправляется в метаболические процессы, чтобы избежать образования активных форм кислорода, которые повреждают фотосистемы и другие клеточные компоненты. Когда интенсивность света падает, клетки листа должны как можно быстрее минимизировать потери тепла и скорректировать распределение переноса энергии на метаболические операции. «Мы продемонстрировали, что ферменты, называемые тиоредоксинами, тесно вовлечены в эти процессы акклиматизации», — говорит Гайгенбергер.

Тиоредоксины — это небольшие белки, которые встречаются практически у всех организмов и участвуют во многих жизненно важных метаболических процессах. Используя генетически модифицированные линии резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), Гайгенбергер и его коллеги показали, что тиоредоксины играют решающую роль в обеспечении оптимального поддержания скорости фотосинтеза в течение коротких периодов высокой интенсивности света. Белки, по сути, открывают «клапан», который позволяет избыточной энергии, поглощённой фотосистемами в хлоропластах, экспортироваться в цитоплазму, избегая тем самым ингибирования самого фотосинтеза. Этот режим экспорта энергии, в свою очередь, поддерживается второй системой на основе тиоредоксина, называемой NADPH-зависимой тиоредоксинредуктазой C (NTRC). Последний фермент также отвечает за минимизацию потерь поглощённой световой энергии в виде тепла в фазах, когда интенсивность света низкая. «Следовательно, у растений, лишённых NTRC, эффективность фотосинтеза снижена, а темпы их роста ниже», — поясняет Гайгенбергер.

Теперь его команда планирует изучить, могут ли повышенные уровни активности тиоредоксинов улучшить общую эффективность фотосинтеза — и, следовательно, темпы роста — растений, подвергающихся воздействию колеблющихся световых условий. «В естественных условиях в поле интенсивность света меняется очень быстро. Если бы можно было повысить эффективность фотосинтеза за счёт увеличения активности тиоредоксинов у сельскохозяйственных культур, это могло бы стать средством увеличения урожайности», — говорит Петер Гайгенбергер.