В рамках международного исследования, проведенного учеными Института Бойса Томпсона, Корнельского и Эдинбургского университетов, обнаружена уникальная молекулярная стратегия, используемая редкой группой наземных растений. Это открытие касается ключевого фермента фотосинтеза — Рубиско, который, несмотря на свою центральную роль, отличается низкой скоростью работы и склонностью к ошибочным реакциям с кислородом, что ограничивает продуктивность сельскохозяйственных культур.
Изучение крошечных растений, таких как роголистник гладкий (Phaeoceros laevis), выявило механизм, который потенциально может быть использован для преодоления этих ограничений. Исследователи сосредоточили внимание на молекулярных взаимодействиях, которые могут стабилизировать работу Рубиско и повысить его эффективность. Полученные данные открывают путь для будущих биотехнологических разработок, направленных на улучшение фотосинтетического аппарата важнейших продовольственных культур, включая пшеницу и рис.
Основной вывод исследования заключается в том, что понимание естественных механизмов, используемых примитивными растениями для оптимизации работы Рубиско, предоставляет новую стратегию для генетического улучшения сельскохозяйственных культур. Внедрение подобных молекулярных решений может в перспективе значительно повысить урожайность и устойчивость продовольственных систем к изменяющимся условиям окружающей среды.
Phaeoceros laevis, вид роголистника, широко известный как роголистник гладкий. Кредит: Дес Каллаган
Международный коллектив исследователей выявил уникальный молекулярный механизм, характерный для ограниченной группы наземных растений. Данное открытие создает перспективу для будущей модификации ключевых сельскохозяйственных культур, таких как пшеница и рис, с целью значительного повышения эффективности преобразования солнечной энергии в биомассу.
Работа, выполненная специалистами Института Бойса Томпсона, Корнельского и Эдинбургского университетов, направлена на решение фундаментальных проблем сельского хозяйства, связанных с ферментом Рубиско. Этот фермент отвечает за фиксацию углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза.
Рубиско и границы фотосинтеза
Рубиско играет центральную роль в жизни на Земле, но у него есть серьезный недостаток. Фермент работает медленно и может легко взаимодействовать с кислородом вместо углекислого газа, что приводит к потере энергии и снижению эффективности роста растений.
«Рубиско, пожалуй, самый кратковременный период на планете, потому что через него поступает почти весь углерод, замкнутся в пище, которую мы едим», — говорит он. сказала доцент БТИ Фэй-Вэй Ли, которая руководила исследованием. «Но он медленный и легко поглощается кислородом, который пропускает электричество и ограничивает эффективность роста растений».
Тем временем некоторые органы разработали способы преодоления этой неэффективности. Например, многие виды водных организмов Рубиско располагаются внутри небольших структур в своих клетках, называемых пиреноидами. Эти микроскопические отсеки концентрируют углекислый газ вокруг фермента, что позволяет ему работать более эффективно.
Исследователи давно надеялись внедрить этот тип системы управления в пищевой культуре, которая в природе не содержит пиренидов. Однако перенести сложную технику из воды в наземные растения оказалось чрезвычайно сложно.
Растения роголистника раскрывают неожиданную динамику
Прорыв произошел, когда ученые исследовали роголистники, единственные наземные растения, которые, как известно, содержат отсеки, концентрирующие углерод, подобные тем, которые обнаружены в водах. Поскольку роголистники имеют более тесную эволюционную связь с сельскохозяйственными растениями, чем водяные, исследователи подозревали, что их молекулярные инструменты могут быть легче переносимыми.
То, что они обнаружили, оказалось сильно отличающимся от того, чего они ожидали.
«Мы предположили, что роголистники будут использовать нечто похожее на то, что сохраняет воду — отдельный белок, который собирает Рубиско воедино», — сказал он. — сказал Таннер Робисон, аспирант, работающий с Ли и соавтором статей. «Вместо этого мы обнаружили, что они модифицировали сам Рубиско для выполнения этой работы».
Белок RbcS-STAR и кластеризация Рубиско
Ключевым компонентом является необычный белковый компонент, который исследователи назвали RbcS-STAR. Сам Рубиско состоит как из больших, так и из маленьких кусочков белка. У роголистников один из проявлений компонента включает дополнительный сегмент, называемый STAR-областью.
Этот дополнительный хвост ведет себя как молекулярная липучка. Это позволяет веществу Рубиско слипаться и образовывать кластерные структуры внутри клетки.
Чтобы определить, может ли STAR функционировать на других растениях, исследователи провели несколько экспериментов. Они впервые ввели компонент RbcS-STAR в близкородственный вид роголистника, который в природе не образует пиреноидов. После изменений Рубиско перешел из распространения в камеру к образованию концентрированных структур, представляющих собой пиреноиды.
Затем ученые проверили ту же идею в отношении арабского идопсиса, растения, широко используемого в лабораторных исследованиях. Рубиско снова собрался в плотных отсеках внутри хлоропластов.
«Мы даже пытались прикрепить только хвост STAR к родному Рубиско арабидопсиса, и это вызвало тот же эффект кластеризации», — сказал он. сказал Алистер МакКормик, профессор Эдинбургского университета, который был одним из руководителей исследования. «Это говорит нам о том, что STAR действительно является движущей силой. Это модульный инструмент, который может работать на различных предприятиях».
Потенциальный путь к более эффективному выращиванию сельскохозяйственных культур
Тот факт, что этот механизм работает на разных видах растений, делает это открытие особенно необходимым для сельского хозяйства. Это предполагает, что ученые способны вызвать кластеризацию Рубиско в сельскохозяйственных растениях, просто добавив этот универсальный компонент — липучку.
Однако исследователи указывают, что еще требуется дополнительная работа. Помимо кластеризации Рубиско, растения также должны эффективно производить углекислый газ.
«Мы построили дом Рубиско, но он не будет эффективным домом, если мы не обновим систему отопления, вентиляции и кондиционирования», — сказал он. сказала Лора Ганн, доцент Корнельского университета, возглавлявшая исследование. Сейчас работает над этой проблемой команда команды.
Шаг к более устойчивому производству продуктов питания
Несмотря на это, открытие представляет собой значительный прогресс в усилиях по продолжению фотосинтеза. Даже незначительное повышение эффективности фотосинтеза может повысить урожайность сельскохозяйственных культур, одновременно оказывая негативное воздействие на сельское хозяйство на окружающую среду. Эта цель становится все более важной, поскольку ученые ищут способы увеличения производства большего количества продуктов питания для растущего населения планеты.
«Это исследование показывает, что природа уже опробовала решения, из которых мы можем извлечь уроки», — говорит он. — сказал Ли. «Наша работа состоит в том, чтобы достаточно хорошо понимать решения, чтобы применять их там, где они нужны больше всего — в выращивании этих культур, которые кормят мир».
Исследование было опубликовано в журнале Science с равным вкладом четырех молодых ученых: Таннера А. Робинсона, Ювэй Мао, Чжэнь Го О и Уоррена С.Л. Анг. Соответствующими авторами были Лаура Х. Ганн, Алистер Дж. Маккормик и Фэй-Вей Ли.