Как растения мгновенно адаптируются к тени и свету

Фотосинтез — это процесс преобразования энергии солнечного света в химическую энергию в виде сахаров. Эти сахара используются растениями для роста и жизнедеятельности, а также служат пищей для животных и человека.

Растения растут в условиях, где доступность света быстро и резко меняется, например, из-за тени от облаков или колышущихся листьев деревьев. Поэтому растения должны быстро регулировать фотосинтез, чтобы максимизировать захват энергии и предотвратить повреждения от её избытка. Команда исследователей под руководством Уте Армбрустер и Мартина Йоникаса из Института Карнеги раскрыла механизм, с помощью которого растения поддерживают высокую эффективность фотосинтеза при колеблющемся освещении. Их работа опубликована в Nature Communications.

Вопрос поддержания эффективности фотосинтеза касается растений, от которых зависят люди, включая сельскохозяйственные культуры и даже леса, поэтому его решение имеет практическое значение для повышения продуктивности в сельском хозяйстве.

Команда, в которую также входят Ари Корнфельд и Джозеф Берри, обнаружила, что белок KEA3 критически важен для немедленной адаптации эффективности фотосинтеза к меняющимся световым условиям.

Фотосинтез протекает в две стадии. Первая поглощает свет в виде фотонов и производит молекулы-накопители энергии, которые затем используются для второй стадии — фиксации углерода из воздуха в углеродные сахара, такие как сахароза и крахмал.

KEA3 задействован на первой стадии.

При полном солнечном свете энергия от избыточных поглощённых фотонов намеренно рассеивается растением в виде тепла. Но если свет блокируется, например, облаком, растение должно переключиться с рассеивания избыточных фотонов на сбор как можно большего их количества. Передовые аналитические методы показали, что KEA3 действует, ускоряя переход из режима, адаптированного к полному солнцу, в режим, адаптированный к тени. Эта быстрая реакция на интенсивность света делает первую стадию фотосинтеза более эффективной.

Мутантные растения без функционирующих транспортеров KEA3 теряли значительное количество собранной световой энергии в виде тепла при переходе к слабому свету, что дополнительно подтвердило это открытие.

«Наше открытие этого встроенного механизма реагирования на световые условия делает KEA3 новой мишенью для тех, кто заинтересован в повышении продуктивности сельскохозяйственных культур, а также для углубления фундаментальных знаний о биохимии фотосинтеза», — сказал Йоникас.