Растения должны тщательно соблюдать баланс между поглощением солнечного света для фотосинтеза и защитой от светового повреждения. Часть этого баланса обеспечивается антенными белками, которые связаны со светособирающими молекулами внутри хлоропластов растений. Известные в основном тем, что поглощают энергию солнечного света, некоторые антенные белки могут рассеивать избыток поглощенной энергии в виде тепла посредством механизма фотозащиты, называемого нефотохимическим тушением (НПТ).
В недавней публикации ученых из Кембриджского университета и Калифорнийского университета в Беркли подробно исследована функция антенного белка CP26. Хотя ранее предполагалось, что CP26 играет роль в нефотосинтетическом тушении флуоресценции, результаты исследования меняют понимание функции CP26 и предполагают, что он влияет на структурную организацию фотосинтетической системы, а не непосредственно участвует в процессе. Исследование опубликовано в журнале Plant Physiology.
Эту работу возглавил Йоханнес Кромдейк, доцент кафедры растениеводства Кембриджского университета и участник проекта RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), международной инициативы по повышению продуктивности сельскохозяйственных культур за счет усиления фотосинтеза.
Одна из исследовательских целей проекта RIPE — оптимизация показателей НПТ для повышения эффективности фотосинтеза и увеличения урожайности. Эта цель побудила исследователей изучить, может ли модификация антенных белков, таких как CP26, улучшить показатели растений, что требует более четкого понимания специфической функции CP26.
Исследовательская группа проверила, играет ли CP26 роль в НПТ, заблокировав его экспрессию in vivo в модельном растении Arabidopsis. Одновременно они изменили другие факторы, влияющие на НПТ. К ним относится сенсорный белок PsbS, который рассеивает избыточную световую энергию в виде тепла.
Исследователи также изменили ксантофилловый цикл — процесс, который переключает белки антенны между сбором света и рассеиванием тепла, а также контролирует концентрацию светособирающего пигмента и антиоксиданта зеаксантина.
Наконец, они изменили градиент pH через тилакоидную мембрану внутри хлоропластов растений — ключевой фактор, который заставляет растения переключаться с поглощения света на фотозащиту. Такой подход позволил им оценить, влияет ли отсутствие CP26 на факторы НПТ путем сравнения уровней НПТ в измененных растениях с уровнями в контрольных растениях.
«Во время фотосинтеза одна часть хлоропласта становится более кислой; когда это достигает порогового значения, это сигнализирует растениям о том, что поглощается слишком много световой энергии и необходимо задействовать фотозащиту. Несколько белков, включая PsbS и, возможно, CP26, могут реагировать на повышенную кислотность и запускать НПТ», — сказал Кромдейк.
У растений, лишенных CP26, наблюдались умеренные изменения скорости НПТ и эффективности фотосинтеза. Однако, к удивлению исследователей, нарушение ксантофиллового цикла и модуляция уровней PsbS оказывали аналогичное воздействие на растения без CP26 по сравнению с растениями, имеющими CP26.
«Основываясь на предыдущих исследованиях, мы ожидали, что CP26 может взаимодействовать с ксантофилловым пигментом зеаксантином, помогая защитить растения от избытка света. Вместо этого, похоже, потеря этого белка влияет на поток энергии посредством перестройки фотосинтетических антенн», — сказала Джулия Уолтер, ведущий автор исследования.
Полученные результаты меняют представление ученых о роли CP26 и предполагают, что физическая организация фотосинтетической системы может быть столь же важна, как и ее химические процессы.
«Предыдущие исследования привели к гипотезе о том, что CP26 участвует в медленной форме НПТ, которую мы хотели бы уменьшить в RIPE. Наша работа, напротив, показывает, что CP26 не участвует в этом медленном типе, но у растений, лишенных CP26, изменены реакции НПТ по другим причинам. Мы считаем, что наиболее вероятными объяснениями наших результатов являются измененное взаимодействие между соседними антенными комплексами или измененная чувствительность к pH антенных комплексов, лишенных CP26», — сказал Кромдейк.
В будущих исследованиях основное внимание будет уделено тестированию модифицированных версий CP26, чтобы лучше понять его роль и определить, где происходит рассеивание энергии. Исследователи также расширяют эту работу на другие компоненты фотосинтетической системы, которые могут играть более важную роль в защите от света.
Прим.ред. Для сельского хозяйства исследования белка CP26 (и кодирующего его гена Lhcb5) имеют фундаментальное прикладное значение. Они открывают путь к созданию сверхурожайных и устойчивых к изменениям климата культур. Например, проект RIPE при поддержке Фонда Гейтса работает над преодолением «эффекта тени», чтобы повысить урожайность на 15–20%.
В реальных полевых условиях (например, на полях кукурузы или пшеницы) верхние листья растений постоянно затеняют нижние, а облака то закрывают, то открывают солнце. Когда набегает облако, белок CP26 продолжает рассеивать энергию в виде тепла «по привычке». Растению требуются долгие минуты (иногда часы), чтобы отключить защиту и снова начать эффективно синтезировать биомассу. Ученые изучают модификации CP26, чтобы ускорить это переключение, о чем и говорил выше Кромдейк. Ускоренный возврат к фотосинтезу в моменты переменной облачности позволяет культуре производить заметно больше зерна или плодов.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign. Автор: Бриттани Премпин. Автор фото: Клэр Бенджамин.
