Борьба за дыхание: как углекислый газ попадает в клетки для фотосинтеза

В процессе фотосинтеза листья захватывают углекислый газ (CO₂) из атмосферы и преобразуют его в органические соединения. Однако путь CO₂ от поверхности листа к ферментам фиксации углерода внутри листа полон препятствий. Понимание каждого из множества барьеров, с которыми сталкиваются молекулы CO₂, необходимо для того, чтобы управлять ими и повышать урожайность культур.

В обзоре Тэнсли, опубликованном в журнале New Phytologist, профессор Джон Эванс из ARC Center of Excellence for Translational Photosynthesis проанализировал литературу по проводимости мезофилла листа и создал «профиль листа» — описание различных компонентов, участвующих в перемещении CO₂ внутри листа, и их относительной важности.

«Нам необходимо знать относительную важность таких характеристик, как площадь поверхности клеток мезофилла, толщина клеточной стенки и проницаемость мембран внутри клетки, чтобы определить, насколько легко углекислому газу достичь мест фиксации», — говорит профессор Эванс.

CO₂, потребляемый при фотосинтезе, замещается за счёт диффузии, но этот процесс ограничивается устьицами и тканями мезофилла внутри листа. Эти ограничения влияют на количество воды и азота, необходимых для фиксации углерода.

Профессор Эванс выделил четыре ключевых вопроса, связанных со свойствами клеточной стенки и мембран, на которых необходимо сосредоточить исследовательские усилия.

1. Тип фотосинтеза

У растений C4, таких как сахарный тростник и кукуруза, CO₂ должен достичь только цитоплазмы. У растений C3, таких как пшеница и рис, добавляется дополнительное препятствие — проникновение в хлоропласт, что фактически удваивает сопротивление. Среди растений C3 наблюдается большое разнообразие, связанное с толщиной клеточных стенок. Клеточные стенки составляют менее четверти общего сопротивления у сельскохозяйственных культур, таких как рис (тонкие стенки), но на их долю приходится более трёх четвертей общего сопротивления у медленно растущих растений C3 с более толстыми и менее пористыми стенками.

2. Динамичность сопротивления

Сопротивление, связанное с мезофиллом, также может изменяться при варьировании света, концентрации CO₂ или температуры, что указывает на динамическую природу проводимости мезофилла. Однако некоторые из этих динамических изменений могут быть следствием пространственной сложности, а не быстрых изменений, например, проницаемости мембран.

3. Роль аквапоринов

В статье подчёркивается перспективная область исследований роли аквапоринов, проницаемых для CO₂. Это высокоразнообразный тип «фильтров», встроенных в клеточные мембраны, которые контролируют транспорт CO₂. Аквапорины интенсивно изучаются как потенциальная мишень для генетической инженерии с целью повышения эффективности фотосинтеза.