Как водоросли могут спасти растения от самих себя
Водоросли могут стать ключом к решению проблемы питания растущего населения планеты. Они эффективнее большинства растений в поглощении углекислого газа (CO2) из воздуха, и если эту эффективность удастся перенести на сельскохозяйственные культуры, можно будет выращивать больше пищи, тратя меньше времени, воды и азотных удобрений.
Исследование команды под руководством Мартина Йоникаса из Института Карнеги, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, выявило белок, необходимый для такой высокой эффективности зелёных водорослей. Это открытие — важный первый шаг к использованию потенциала водорослей в сельском хозяйстве.
Всё начинается с самого распространённого на Земле фермента — Rubisco.
Rubisco «фиксирует» (преобразует) атмосферный CO2 в углеродные сахара (например, глюкозу и сахарозу) у всех фотосинтезирующих организмов. Почти весь углерод в живых организмах был когда-то «зафиксирован» из атмосферы этим ферментом. Скорость этой реакции ограничивает рост многих культур, и её ускорение, по мнению учёных, могло бы повысить урожайность.
Rubisco эволюционировал у бактерий около 3 миллиардов лет назад, когда в атмосфере Земли было гораздо больше CO2. По мере распространения фотосинтезирующих бактерий они изменили состав атмосферы.
«Rubisco очень эффективно работал в богатой CO2 среде древней Земли, — сказал Йоникас. — Но в итоге он выкачал большую часть CO2 из атмосферы до того состояния, когда CO2 сегодня является следовым газом».
Rubisco стал жертвой собственного успеха. Сегодня CO2 составляет лишь около 0.04% молекул в атмосфере. При такой низкой концентрации Rubisco работает крайне медленно, что ограничивает темпы роста культур.
Водоросли эволюционно нашли способ заставить Rubisco работать быстрее с помощью структуры под названием пиреноид. Это своего рода турбонаддув для фиксации углерода.
Пиреноид — это крошечный компартмент внутри клетки, заполненный Rubisco и окружённый оболочкой из крахмала. Под микроскопом он похож на сферический пузырёк. Его задача — концентрировать CO2 вокруг Rubisco, чтобы тот работал быстрее.
Пиреноид даёт такое огромное преимущество в росте, что он есть почти у всех водорослей в океанах. Считается, что около трети всей фиксации углерода на планете происходит в пиреноидах, однако на молекулярном уровне мы почти ничего не знаем о том, как эти структуры формируются. Такое понимание необходимо, прежде чем исследователи смогут попытаться внедрить пиреноиды в сельскохозяйственные культуры, что, как ожидается, может повысить урожайность до 60%.
Команда сосредоточилась на фундаментальной загадке: что заставляет Rubisco собираться в ядре пиреноида?
Йоникас и его команда обнаружили, что у модельной водоросли Chlamydomonas эту кластеризацию Rubisco опосредует белок, названный ими EPYC1 (Essential Pyrenoid Component 1). Они выяснили, что EPYC1 связывается с Rubisco и упаковывает его в матрицу белков, формирующую внутренность пиреноида. Более того, похожие на EPYC1 белки найдены у большинства водорослей, имеющих пиреноиды, и отсутствуют у водорослей без таких структур.
«Нужно ещё много работы, чтобы полностью понять EPYC1 и пиреноиды, но наши находки — это первый шаг к внедрению эффективности захвата углерода водорослями в сельскохозяйственные культуры», — заключил Йоникас.