Как работает резервная система фотосинтеза в растениях
Фотосинтез — это процесс, с помощью которого растения «производят пищу» для себя и всей планеты. Ключевой ингредиент — углерод, который растения извлекают из атмосферного CO2, используя энергию солнца.
Однако этот путь не прямолинеен. Изменения в качестве света, засуха или холод могут замедлить или повредить фотосинтез. Поэтому у растений есть резервные системы. Их изучение важно для повышения урожайности и решения проблемы продовольственной безопасности.
Исследователи из Лаборатории исследований растений MSU-DOE (PRL) раскрыли новые детали работы одной из таких систем-«бекапов». Результаты опубликованы в журнале Plant Physiology.
Углерод: основа жизни растений
Растения включают углерод в свой обмен веществ через цикл Кальвина-Бенсона. В этом цикле углерод соединяется с другими веществами с образованием крахмала и сахаров.
Однако в двух случаях из пяти вместо CO2 цикл захватывает кислород (процесс оксигенации). Это приводит к образованию бесполезных для роста соединений и останавливает цикл. Растению приходится тратить время и энергию на их «очистку» в специальных участках клетки — пероксисомах.
«Цикл Кальвина-Бенсона имеет встроенные резервы для быстрого перезапуска, — говорит Том Шарки, профессор PRL. — Лучший способ — это шунт, серия побочных реакций, поддерживающих низкий поток углеродных продуктов в цикле. Это обеспечивает максимально быстрый рестарт».
Используя мутантные растения, неспособные очищать соединения от оксигенации, лаборатория Шарки выяснила, как работает шунт и почему для его функционирования требуется дополнительная энергия фотосинтеза.
Шунт: «пилотная горелка» фотосинтеза
Аналогия для шунта — пилотная горелка в старых газовых приборах. Небольшой постоянный поток газа поддерживает минимальное пламя, чтобы устройство могло быстро включиться на полную мощность.
«Пилотный свет может казаться пустой тратой газа, — говорит Том. — Но он выполняет важную функцию, поддерживая систему в готовности».
Учёные из лабораторий PRL (Шарки, Крамер и Ху) отобрали мутантные растения с дефектами в очистке соединений. Один мутант имел нарушение в работе пероксисомы. Это привело к накоплению вредных соединений и остановке цикла Кальвина-Бенсона.
Растение нашло обходной путь:
- Углерод был выведен из цикла в клетку.
- Он частично перерабатывался по механизму, схожему с циклом.
- Углерод возвращался в цикл через «чёрный ход», открывшийся в этой ситуации.
- Шунт захватывал часть этого углерода и закачивал его обратно в цикл, помогая его перезапустить.
«Повышенная активность шунта требует дополнительной энергии, — объясняет Том. — Фотосинтез компенсирует это, наращивая производство АТФ, чтобы питать шунт и поддерживать цикл Кальвина-Бенсона».
Значение шунта в природных условиях
Хотя мутант — это исключение, он заставил растение проявить скрытые механизмы, которые трудно увидеть у здоровых растений.
«У здоровых растений цикл Кальвина-Бенсона работает только на свету, — говорит Том. — Но в природе свет может мерцать из-за облаков, что легко обрушивает цикл. Мы считаем, что шунт играет роль в его перезапуске».
«Сегодня электроника сделала пилотную горелку устаревшей, — добавляет Том. — Точно так же, когда мы полностью поймём шунт, возможно, мы сможем заменить его более эффективной системой».
«Нам повезло работать в PRL, — заключает профессор. — Этот проект не состоялся бы, если бы другие лаборатории не задавали мне вопросы о цикле Кальвина-Бенсона. Редко можно найти столько специалистов по разным аспектам фотосинтеза под одной крышей. Мы можем выходить из зоны комфорта, общаться и сотрудничать над проектами, которые иначе не возникли бы».