Защитная система растений предотвращает саморазрушение при ярком свете

Новое исследование под руководством Петры Редекоп, Эмануэля Санс-Луке и Артура Гроссмана из Института Карнеги раскрывает молекулярные и клеточные механизмы, с помощью которых растения защищаются от саморазрушения. Результаты, опубликованные в Science Advances, углубляют понимание одного из важнейших биохимических процессов на Земле.

Фотосинтез — процесс преобразования энергии солнца в химическую энергию растениями, водорослями и некоторыми бактериями — лежит в основе всей пищевой цепи и отвечает за насыщение атмосферы кислородом.

Процесс состоит из двух стадий. На первой свет поглощается и используется для синтеза энергетических молекул, при этом вода выступает субстратом, а кислород — побочным продуктом. Эти энергетические молекулы затем питают вторую стадию, на которой углекислый газ из воздуха фиксируется в углеродные сахара.

Однако в условиях чрезмерно яркого солнечного света в растениях и водорослях могут накапливаться высокореактивные формы кислорода, способные вызвать клеточные повреждения или даже гибель. Для защиты от этого у них эволюционировал набор белков, способных быстро гасить избыток световой энергии.

Исследователи охарактеризовали гены, кодирующие эти защитные белки, у фотосинтезирующей водоросли Chlamydomonas, и изучили способность организма регулировать их экспрессию.

Ключевые механизмы активации генов защиты:

• Заблаговременная подготовка: Экспрессия генов накапливается даже при очень низком уровне света, что свидетельствует о мобилизации ресурсов на рассвете в преддверии первых часов интенсивного утреннего света.
• Реакция на синий свет: Активация генов индуцируется обнаружением синего света, интенсивность которого возрастает от рассвета до полудня, особенно в водных экосистемах.
• Реакция на УФ-Б излучение: Гены также активируются под воздействием УФ-Б излучения, которое не блокируется облачным покровом. Это позволяет организмам отслеживать время суток и готовиться к изменениям в доступности света даже в условиях слабого освещения.
• Зависимость от CO₂: Один из фотозащитных белков регулируется доступностью углекислого газа, что указывает на сложную интегрированную регуляторную сеть.

«В совокупности эти регуляторные особенности образуют защитный покров, снижающий риск, создаваемый избытком света в быстро меняющейся окружающей среде», — заключает Редекоп.