Что растения могут позаимствовать у водорослей?
Водоросли обладают «суперсилой», которая помогает им расти быстро и эффективно. Новое исследование под руководством Адриена Бурлако из Института Карнеги закладывает основу для переноса этой способности в сельскохозяйственные культуры, что может помочь накормить больше людей и бороться с изменением климата. Результаты опубликованы в Nature.
Растительные клетки, водоросли и некоторые бактерии способны преобразовывать энергию солнца в химическую энергию с помощью ряда биохимических реакций, известных как фотосинтез. Этот процесс насытил атмосферу Земли кислородом, позволил возникнуть и развиться животной жизни и лежит в основе всей нашей пищевой цепи.
Фотосинтез происходит в две стадии. На первой свет поглощается и используется для синтеза энергетических молекул, побочным продуктом которого является кислород. Затем эти энергетические молекулы используются для питания второй стадии, на которой углекислый газ из воздуха фиксируется в углеродные сахара, такие как глюкоза и сахароза.
Поскольку фотосинтез — очень древний процесс (он предшествовал нынешнему составу атмосферы и фактически сформировал его), он не особенно эффективен. Механизм, с помощью которого растения захватывают углекислый газ из воздуха, стал жертвой собственного успеха. В атмосфере, богатой CO2, растениям было легко получить углерод, необходимый для второй стадии. Но сейчас ситуация иная: растения ограничены всё ещё малым количеством CO2 в атмосфере и не могут эффективно его фиксировать.
К счастью, фотосинтезирующие водоросли развили механизмы, повышающие их эффективность за счёт концентрирования CO2 вокруг фермента, ответственного за его фиксацию в сахара. Этот биохимический «буст» — одна из причин, позволяющих водорослям так быстро расти.
«Если удастся использовать клеточные инструменты, лежащие в основе этой способности, это позволит нам создавать более продуктивные растения, — объяснил Бурлако. — Это поможет в борьбе с изменением климата за счёт секвестрации большего количества CO2 из атмосферы и в борьбе с мировым голодом за счёт производства большего количества пищи».
Бурлако и его коллеги из Университета Экс-Марсель — Усман Дао, Паскалин Оруа, Стефан Кюин, Йонгхуа Ли-Бейссон и Жиль Пельтье — смогли выяснить энергетический путь, который питает способность водорослей концентрировать CO2.
Чтобы быть транспортированным через биологические мембраны, в которых происходит вторая стадия фотосинтеза, атмосферный CO2 должен быть преобразован в бикарбонат, а затем обратно. Исследователи раскрыли, как клетки создают энергию для управления этой серией превращений, позволяя концентрировать CO2, не затрагивая энергоснабжение клетки для процесса фиксации углерода.
«Давно известно, что способность водорослей концентрировать CO2 и повышать эффективность фотосинтеза требует энергии, но молекулярные механизмы этого процесса оставались плохо изученными до сих пор, — заключил Бурлако. — Наша работа раскрыла энергетический «инструментарий», необходимый для улучшения захвата углерода при фотосинтезе».