Защита растений от силы солнечного света
Состояние растений может меняться за доли секунды при мерцании света или дуновении ветра. Скорость, с которой растения адаптируются к изменениям окружающей среды, критически важна для их здоровья. Однако главной проблемой для учёных долгое время было измерение этих изменений.
Лаборатория Крамера стремится решить эту задачу с амбициозной целью: улучшить фотосинтез растений, чтобы повысить урожайность сельскохозяйственных культур и производство биотоплива.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Plant, Cell and Environment, Стеффи Тиц, бывший постдок в лаборатории Крамера, предлагает способ измерять в реальном времени один из ключевых процессов: как растения защищаются от "перегорания" при избытке солнечного света.
NPQ: защита от солнечного света
Большинство предыдущих научных работ проводилось в лабораториях с контролируемыми условиями, которые плохо отражают реальную среду обитания растений. Растения постоянно сталкиваются с мерцанием интенсивности света, дождём и другими факторами.
Для адаптации к непрерывно меняющимся условиям растения выработали сложные стратегии. Одна из них — нефотохимическое тушение (non-photochemical quenching, NPQ), которое защищает растения от избытка света.
"NPQ показывает, сколько света растения рассеивают, когда подвергаются его сильному воздействию. Иначе растения могут "сгореть" или даже погибнуть", — объясняет Стеффи.
Растениям приходится переключаться между сбором света и его рассеиванием десятки раз за миллисекунду, чтобы выжить. Однако эта защита имеет свою цену: избавляясь от света — основного источника энергии, — растения потенциально замедляют фотосинтез.
Система не идеальна. Когда условия меняются быстрее, чем растения могут адаптироваться, это может быть как расточительным, так и опасным. "Это похоже на вождение по извилистой дороге с медленным рулевым управлением".
Улучшение баланса
Лаборатория Крамера пытается найти гены, контролирующие скорость NPQ, чтобы создать растения с более быстрым временем реакции. Это означает меньше потраченного впустую света и больше произведённой энергии.
Для этого необходимо измерять NPQ у большого количества разных растений в различных условиях. Однако стандартные методы занимают слишком много времени (до нескольких часов) и позволяют измерять только один лист за раз. "Это сильно замедляет исследования, и мы упускаем множество важных реакций всего растения", — говорит Стеффи.
Другая проблема старых методов в том, что они иногда принимают за NPQ другие процессы (например, движение листьев или изменение положения хлоропластов), что искажает измерения.
Новый метод измерений
Лаборатория Крамера специализируется на решении подобных научных проблем. На основе уравнений, решённых Крамером, Стеффи и её коллеги разработали новый метод, который позволяет создавать "фильмы" фотосинтеза и NPQ одновременно для сотен растений.
Эксперименты занимают секунды, а не часы, и метод не подвержен ошибкам, характерным для старых техник. Ключевое достижение: метод обеспечивает надёжные измерения в реальных условиях — как в лабораторных симуляциях, так и непосредственно в поле.
"Это означает, что мы можем видеть, как растения реагируют в поле, где это действительно важно. Затем мы можем использовать эту информацию, чтобы помочь фермерам выводить лучшие культуры для конкретных условий, вплоть до уровня отдельных хозяйств".
Идеальным сценарием является включение измерений NPQ в будущие исследования продовольственных культур, таких как кукуруза или бобы. Метод уже используется по всему миру в сотнях лабораторий и мелких фермерских хозяйств и легко адаптируется к commonly used scientific devices (Licor, Hansatech, Walz).
Лаборатория Крамера уже применяет этот метод для измерения "пульса NPQ" у водорослей — ещё одного обильного фотосинтезирующего организма, перспективного для биотехнологий и возобновляемой энергетики.