Фотосинтез - это процесс, в котором растения превращают свет, углекислый газ и воду в сахара, которые способствуют росту растений, с помощью основного фотосинтетического фермента Рубиско.
Большинство видов растений на Земле используют фотосинтез C3, в котором первое образующееся углеродное соединение содержит три атома углерода. В этом процессе углекислый газ попадает в растение через устьица (микроскопические поры на листьях растений), где среди ряда сложных реакций фермент Рубиско фиксирует углерод в сахаре через цикл Кальвина-Бенсона. Однако два ключевых ограничения замедляют фотосинтез.
Первое. Рубиско нацелен на фиксацию углекислого газа, но может также фиксировать молекулы кислорода, что создает токсичное двухуглеродное соединение. Рубиско фиксирует кислород примерно в 20 процентах случаев, инициируя процесс, называемый фотодыхание, который перерабатывает токсичное соединение. Фотодыхание стоит растению энергии, которую оно могло бы использовать для фотосинтеза. И второе - когда устьица открыты и пропускают углекислый газ, они также выпускают водяной пар, что ставит растения C3 в невыгодное положение в условиях засухи и высоких температур.
Однако растения выработали другую форму фотосинтеза, чтобы помочь сократить эти потери в жарких и сухих условиях. При фотосинтезе C4, где производится четырехуглеродное соединение, уникальная анатомия листа позволяет углекислому газу концентрироваться в клетках «обкладок пучков» вокруг Рубиско. Эта структура доставляет углекислый газ прямо в Рубиско, эффективно устраняя его контакт с кислородом и необходимость в фотодыхании.
Неустьичный контроль транспирации у кукурузы, сорго и проса - всех культур C4, имеющих решающее значение для глобальной продовольственной безопасности, - дает этим растениям преимущество в поддержании благоприятного микроклимата для фотосинтеза в листьях. Это позволяет растениям поглощать углекислый газ в процессе фотосинтеза и роста, несмотря на повышенные температуры и возросшую потребность атмосферы в воде, не увеличивая при этом расход воды.
Опубликовав свои результаты в PNAS, исследователи из Университета Бирмингема, Австралийского национального университета в Канберре и Университета Джеймса Кука в Кэрнсе бросают вызов традиционному пониманию транспирации растений и фотосинтеза в стрессовых и засушливых условиях выращивания, а именно, что устьица сами по себе контролируют потерю воды листьями.
Соавтор исследования, доктор Диего Маркес из Бирмингемского университета, прокомментировал: «Это произвело революцию в нашем понимании взаимоотношений растений и воды, показав, что неустьичный контроль транспирации ограничивает потерю воды, не снижая при этом прирост углерода, что бросает вызов тому, что обычно принимается как неизбежный компромисс. Наши результаты имеют важное значение для адаптации растений к изменению климата и для того, как можно выращивать сельскохозяйственные культуры в засушливых условиях. Понимание этого механизма может открыть новые пути для повышения эффективности использования воды в культурах C4, которые имеют жизненно важное значение для глобальной продовольственной безопасности».
Исследование подтверждает, что растения C4 поддерживают пониженную относительную влажность в подустьичной полости, до 80% в условиях дефицита давления пара, что снижает потери воды и подчеркивает важную роль неустьичного контроля в эффективности использования воды.
Этот механизм помогает растениям поддерживать фотосинтез, сокращая потери воды без значительного снижения межклеточного уровня CO 2 для фотосинтеза. Это имеет решающее значение для поддержания роста и обеспечения процветания сельскохозяйственных культур.
Полученные данные также свидетельствуют о том, что неустьичные механизмы контроля могли развиться до расхождения фотосинтетических путей C3 и C4, что указывает на общую эволюционную черту.
«Наше исследование переосмысливает понимание эффективности использования воды растениями C4 и показывает, что этот альтернативный механизм помогает растениям продолжать расти и улавливать углекислый газ даже при высоком спросе на воду в атмосфере, что бросает вызов традиционным предположениям о том, как эти растения переживают засухи», - добавил доктор Маркес.
Как говорилось выше, фотосинтез - это то, как растения используют свет и углекислый газ для производства сахаров для роста, используя фермент под названием Рубиско. Растения используют углекислый газ, который поступает через открытые устьица, для производства сахара, в то время как открытые устьица также выпускают водяной пар.
В то время как растения C3 для получения углерода используют только диффузию CO2 через устьица, растения C4 обладают специализированными структурами листьев и ферментами, которые концентрируют углекислый газ вокруг Рубиско, повышая их фотосинтетическую производительность и эффективность использования воды. Однако это преимущество имеет свою цену, поскольку эти растения уязвимы к существенному снижению фотосинтеза при закрытии устьиц. Поэтому неустьичный механизм имеет решающее значение для обеспечения их успешного контроля потери воды, позволяя устьицам оставаться открытыми.
Источник: University of Birmingham.
Заглавное фото: Шаповалова Наталья, AgroXXI.ru.
