Колебания температуры приводят к изменению растительного белка Рубиско, обеспечивающего фотосинтез, доказали ученые.
Человек приспосабливается к изменениям температуры, надевая свитер или снимая лишнюю одежду. Растения же, согласно новым исследованиям Корнельского университета, Техасского университета A&M и Стокгольмского университета, приспосабливаются к изменениям температуры, в частности, изменяя способ экспрессии белка, выполняющего критически важный первый этап фотосинтеза.
Рубиско — самый распространенный белок на Земле, отвечающий за фиксацию углерода, благодаря чему растения могут преобразовывать его в энергию фотосинтеза. Поэтому знание фундаментальных научных принципов работы Рубиско имеет важное значение для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, совершенствования технологий связывания углерода и понимания того, как растения могут адаптироваться к потеплению климата.
В статье «Кинетическая акклиматизация Рубиско на уровне голофермента», опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи демонстрируют, что, хотя белковое ядро Рубиско остается неизменным, части его внешней оболочки могут быть заменены, подобно одежде. Более жесткая оболочка предпочтительна в жару для защиты, а более рыхлая — в холод для повышения эффективности.
«Мы знаем, что некоторые растения лучше приспособлены к жаре или холоду на основе тысячелетий эволюции — например, тюльпаны хорошо растут в холоде, а гибискус предпочитает жару. Мы хотели узнать, может ли Рубиско изменять свою активность в режиме реального времени, чтобы лучше работать при ежедневных изменениях температуры? И это возможно», — говорит Лаура Ганн, доцент кафедры биологии растений в Школе интегративной науки о растениях Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни и ведущий автор статьи.
«Это действительно важно, потому что из-за непредсказуемой погоды, такой как волны жары или похолодания, происходит много потерь урожая. Если мы знаем об этом, можем ли мы преувеличивать? Можем ли мы вывести растения, которые смогут адаптироваться еще быстрее и лучше приспособиться к более широкому диапазону экстремальных погодных условий?» — добавляет исследователь.
Рубиско состоит из восьми больших и восьми малых субъединиц — большие субъединицы образуют белковое ядро, а малые субъединицы связываются с его внешней оболочкой. Вместе они образуют ферментативный механизм, способный поглощать углекислый газ и вырабатывать сахар, который обеспечивает рост растений. Чтобы понять, как эти механизмы реагируют на температуру, Ганн и ее коллеги использовали криогенную электронную микроскопию для изучения структуры двух ферментов Рубиско из модельного растения арабидопсиса (резуховидка Таля).
«При температуре в 10°C белок Рубиско (Rubisco) был собран с небольшой субъединицей, которая позволяет ему двигаться быстрее и выполнять больше реакций в секунду. Но когда температура была повышена до 30°, эта небольшая субъединица была заменена растением на ту, которая делает Рубискомедленнее и жестче — это механизм самозащиты, предотвращающий ошибки в работе белка или даже его разрушение», — сказал Брайс Аски, аспирант в лаборатории Ганна и первый автор статьи.
«Самое удивительное, что различия между этими «холодными» и «горячими» малыми субъединицами действительно незначительны — всего восемь аминокислотных остатков. Но они способны довольно существенно изменить функцию фермента. Следующий шаг — выяснить, как именно эти белковые «свитера» изменяют приспособленность и функцию Рубиско, чтобы мы могли начать разрабатывать специальные версии, настроенные для различных условий», — сказала Ганн.
Это исследование — первое, документирующее адаптацию Рубиско к изменениям температуры у любого вида растений. Ганн хочет определить, насколько широко распространено это явление в растительном мире, и будущие исследования будут посвящены изучению температурной акклиматизации у шести сельскохозяйственно значимых видов растений: риса, картофеля, сои, хлопчатника, ячменя и кукурузы.
Источник: Cornell University. Автор: Криси Гашлер.