Раскрыт механизм, с помощью которого растения рассеивают избыток солнечного света в виде тепла
Для растений солнечный свет может быть обоюдоострым мечом. Он необходим для фотосинтеза, но его избыток может обезвоживать и повреждать листья.
Основная стратегия защиты от такого фотоповреждения — рассеивание лишнего света в виде тепла. Однако на протяжении десятилетий шли споры о том, как именно растения этого добиваются.
«В процессе фотосинтеза светособирающие комплексы играют две, казалось бы, противоречивые роли. Они поглощают энергию для расщепления воды и фотосинтеза, но в то же время, когда энергии слишком много, они должны уметь от неё избавляться», — говорит Габриэла Шлау-Коэн.
В новом исследовании учёные впервые напрямую наблюдали один из предполагаемых механизмов рассеивания энергии. С помощью высокочувствительной спектроскопии они установили, что избыточная энергия передаётся от хлорофилла (зелёного пигмента) к другим пигментам — каротиноидам, которые затем могут высвобождать энергию в виде тепла.
«Это первое прямое наблюдение передачи энергии от хлорофилла к каротиноидам в светособирающем комплексе зелёных растений», — говорит Шлау-Коэн. «Это самое простое предположение, но до сих пор никому не удавалось обнаружить этот фотофизический путь».
Избыточная энергия
Когда солнечный свет попадает на растение, специализированные белки (светособирающие комплексы) с помощью пигментов, таких как хлорофилл, поглощают световую энергию в виде фотонов. Эти фотоны запускают производство молекул сахара.
Растения могут быстро адаптироваться к изменениям интенсивности солнечного света. В условиях очень яркого солнца они преобразуют в сахар только около 30% доступного солнечного света, а остальное выделяют в виде тепла. Если эта избыточная энергия останется в клетках растений, она создаст вредные молекулы, называемые свободными радикалами.
«Растения могут реагировать на быстрые изменения солнечной интенсивности, избавляясь от лишней энергии, но что представляет собой этот фотофизический путь, обсуждалось десятилетиями», — говорит Шлау-Коэн.
Самая простая гипотеза заключается в том, что хлорофиллы передают лишние фотоны соседним молекулам — каротиноидам. Каротиноиды (к которым относятся ликопин и бета-каротин) очень эффективно избавляются от избыточной энергии за счёт быстрой вибрации. Они также умело улавливают свободные радикалы.
До сих пор подобный перенос энергии наблюдался только в родственных бактериальных белках, но не у растений.
Преодоление технических барьеров
Одна из причин, по которой это явление было трудно наблюдать, — очень быстрая временная шкала (фемтосекунды, или квадриллионные доли секунды). Другое препятствие — то, что перенос энергии охватывает широкий диапазон уровней энергии.
В 2017 году лаборатория Шлау-Коэн разработала модификацию фемтосекундной спектроскопической методики, позволяющую изучать более широкий диапазон уровней энергии — от красного до синего света. Это позволило отслеживать перенос энергии между хлорофиллами (поглощающими красный свет) и каротиноидами (поглощающими синий и зелёный свет).
В этом исследовании учёные использовали эту технику, чтобы показать, что фотоны перемещаются из возбуждённого состояния, распределённого по нескольким молекулам хлорофилла внутри светособирающего комплекса, к соседним молекулам каротиноидов внутри того же комплекса.
«Расширив спектральную полосу пропускания, мы смогли увидеть связь между синим и красным диапазонами, позволившую отследить изменения уровня энергии», — объясняет Шлау-Коэн.
Как только каротиноиды принимают избыточную энергию, они выделяют большую её часть в виде тепла, предотвращая световое повреждение клеток.
Повышение урожайности
Исследователи провели эксперименты в двух разных средах:
- Белки в растворе детергента.
- Белки, встроенные в специальную самособирающуюся мембрану (нанодиск).
Они обнаружили, что перенос энергии происходит быстрее в нанодиске, что говорит о влиянии условий окружающей среды на скорость рассеивания энергии.
Остаётся загадкой, как именно избыток солнечного света запускает этот механизм в растительных клетках. Лаборатория Шлау-Коэн сейчас изучает, играет ли роль организация хлорофиллов и каротиноидов внутри хлоропластной мембраны в активации системы фотозащиты.
Более глубокое понимание естественной системы фотозащиты растений может помочь в повышении урожайности сельскохозяйственных культур. Исследование 2016 года показало, что за счёт сверхэкспрессии всех белков, участвующих в фотозащите, урожайность можно повысить на 15–20%, с теоретическим максимумом около 30%.
«Если мы поймём механизм, то вместо простого увеличения экспрессии всех белков и получения 15–20% мы сможем действительно оптимизировать систему и приблизиться к теоретическому максимуму в 30%», — заключает Шлау-Коэн.