Между светом и тенью: как растения оптимизируют фотосинтез в меняющихся световых условиях
Растения для исследований часто выращивают при стабильном освещении, что не отражает естественных условий. В серии экспериментов с меняющимся светом, имитирующих природное чередование света и тени, исследователи из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка в Потсдаме-Гольме (Германия) и Колледжа естественных наук Университета штата Мичиган (США) раскрыли важность двух ключевых белков для динамического контроля фотосинтеза. Исследование опубликовано в журнале New Phytologist.
Под естественными условиями доступность света может меняться очень быстро, например, из-за облаков или движения листьев на ветру. Растения не могут переместиться в тень или на солнце, поэтому вынуждены иначе реагировать на изменения освещённости. Слишком много солнечного света, особенно при резком переходе от слабого к интенсивному свету, вредно для растений. Избыток энергии может перегрузить или повредить чувствительный фотосинтетический аппарат в клетках. Растениям приходится постоянно адаптировать свою фотосинтетическую активность, чтобы получить максимум света, но избежать повреждений.
До сих пор растения в теплицах и лабораториях выращивают почти исключительно в стабильных и однородных световых условиях. Это ограничивает наше понимание адаптации к меняющемуся свету и может привести к тому, что растения, хорошо растущие в лаборатории, внезапно показывают худшие результаты в поле.
Регуляция фотосинтеза в меняющихся световых условиях
Исследователи во главе с доктором Уте Армбрустер из MPI-MP и Дэвидом Крамером из Университета штата Мичиган изучили модель Arabidopsis thaliana. Растения выращивали в различных условиях, включая статичный, колеблющийся и естественный свет.
В центре исследования были два белка-переносчика ионов — VCCN1 и KEA3, играющие ключевую роль в динамической настройке фотосинтетической активности. Известно, что VCCN1 активирует защиту от солнца, если свет внезапно становится слишком сильным. Когда интенсивность света падает, белок KEA3 быстро устраняет эту защиту, чтобы растение снова могло улавливать больше света. Однако эти два белка никогда не изучались в реалистичных световых условиях.
Исследователи использовали инновационный подход для измерения фотосинтеза в сочетании с целенаправленным созданием нокаутных растений, у которых гены VCCN1 и KEA3 были отключены. Было показано, что активность белков VCCN1 и KEA3 зависит от световых условий, в которых были выращены растения.
Анализ, сфокусированный на двух факторах света, связанных с выращиванием, показал, что как количество света, получаемого растением, так и частота световых колебаний сильно влияют на функцию двух переносчиков ионов.
- Защитная функция VCCN1 важна только для растений, ранее выращенных при слабом свете.
- KEA3, устраняющий защиту, был активен даже в периоды сильного света, если растения выращивали в условиях повышенной освещённости.
Защита от солнца также зависит от степени колебаний света, которым подвергаются растения. При значительных изменениях световых условий растения производят оранжевый пигмент зеаксантин, также участвующий в защите от солнца. Выработка этого «солнцезащитного крема» подавляется KEA3 в условиях сильного освещения.
«Наше исследование показывает, что мы не должны рассматривать отдельно влияние света при выращивании и быстрые реакции на колебания света. Интеграция множественных временных масштабов и метаболических уровней будет серьёзной будущей задачей для исследований сельскохозяйственных культур. Это даст ключевые идеи для повышения урожайности в полевых условиях», — заявила ведущий автор исследования Текла фон Бисмарк.