Как клетки растений нейтрализуют риск саморазрушения

Фотосинтез обогащает атмосферу кислородом и лежит в основе производства пищи. Однако при изменяющихся или стрессовых условиях окружающей среды этот процесс может нарушиться, что приводит к избытку высокореактивных кислородных молекул, способных повредить клетку, если их не нейтрализовать.

Новое исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences под руководством Шая Сарусси и Артура Гроссмана из Института Карнеги изучает, как фотосинтезирующая водоросль Chlamydomonas защищается от этой потенциальной опасности. Понимание того, как растения минимизируют самоповреждение в таких условиях, может помочь в создании сельскохозяйственных культур с повышенной урожайностью для борьбы с голодом в условиях меняющегося климата.

Фотосинтез протекает в две стадии. На первой свет поглощается и используется для производства энергетических молекул, которые затем питают вторую стадию, в ходе которой углекислый газ из воздуха фиксируется в сахара, такие как глюкоза и сахароза.

Работа показала, что синтез крахмала является важным метаболическим путем, который стимулирует фотосинтез.

«Представьте процесс производства сахара и крахмала как зарядку «батареи» растения энергией, которую оно сможет использовать позже», — пояснил Гроссман.

Однако в стрессовых условиях или в отсутствие света вторая стадия замедляется или полностью останавливается. Это может привести к накоплению высокореактивных кислородных побочных продуктов, когда свет возвращается.

«Когда «батарея» не заряжается, клеткам нужно перенаправить эту реактивность в другие процессы, чтобы минимизировать возможность клеточного повреждения», — добавил Гроссман.

Исследовательская группа, в которую также вошли Дэвин Карнс, Дилан Томас и Мэтью Позевиц из Колорадской горной школы, а также Клейтон Блосайзис и Оливер Фи из Калифорнийского университета в Дэвисе, сосредоточилась на выяснении функций двух белков — FLV и PTOX. Они защищают клетки растений, способствуя превращению реактивных кислородных продуктов в воду.

Первый белок авторы описывают как «сцепление», которое помогает «сахаропроизводящей» части фотосинтетического аппарата снова набрать скорость после перехода от темноты к свету. Второй — как «предохранительный клапан» в скороварке, который отводит опасное накопление реактивных побочных продуктов после замедления производства, вызванного условиями среды.

«Поразительно видеть, как клетки управляют этими механизмами, чтобы оптимизировать фотосинтез и минимизировать клеточные повреждения, — заключил Сарусси. — Наши результаты показывают часть головоломки того, как фотосинтезирующие организмы эволюционировали, чтобы управлять своим энергетическим бюджетом в меняющейся среде».