Фотосинтезата е начинът, по който растенията „правят храната си“ и хранят останалата част от планетата. Ключовата съставка в тази рецепта е въглеродът. Следователно, процесът на улавяне на енергия от слънцето, която след това се използва за отстраняване на въглерода от атмосферния CO 2 .
Игор Хуват, Томас Д. Шарки, Мичигански държавен университет
Но пътуването на слънчевата светлина за захранване на планетата не е права линия. Това е по-скоро поредица от маршрути и отклонения, които водят до финалната линия. Причината е, че нещата могат да се объркат. Качеството на светлината се променя или става сухо или твърде студено. Тези промени могат да забавят или да повредят фотосинтезата. Следователно растенията имат резервни копия, за да избегнат тези ситуации.
Учените искат да знаят тези тънкости, за да подобрят фотосинтезата. Общата цел е да се създадат растения с по-добри добиви, които да изхранват бързо нарастващото ни население.
Сега изследователите от лабораторията за изследвания на растенията (PRL) на MSU-DOE хвърлят повече светлина върху един от архивите, които поддържат фотосинтезата при трудни условия. Изследването е публикувано в Physiology на растенията.
Въглерод: производителят на растителни пари.
Растенията въвеждат въглерод в диетата си чрез фотосинтетичен процес, известен като цикъла на Калвин-Бенсън. Тази поредица от реакции смесва въглерода с други химикали, за да се получат нови съединения, като нишесте или захари, които поддържат растенията и останалата част от хранителната верига.
Въглеродът е наистина ключов за живота на Земята.
Въпреки това, два пъти от пет, цикълът улавя кислород вместо въглероден диоксид. Това хълцане, наречено оксигенация, създава съединения, които растенията не могат да използват, за да растат. Още по-лошо е, че спира цикъла.
Растенията трябва да почистят тези съединения и да ги върнат обратно в цикъла, за да могат да се рестартират. Усилието струва време и енергия и изисква преместване на съединенията в специални места за почистване в други части на клетката.
„Цикълът на Калвин-Бенсън има вградени резервни копия за бързо рестартиране на процеса всеки път, когато се забави“, казва Том Шарки, уважаван професор от университета в PRL. „Най-добрият начин е байпасът, поредица от странични реакции, които поддържат въглеродните продукти ниски в цикъла. Това гарантира, че цикълът се рестартира възможно най-бързо.
Сега лабораторията на Sharkey, която използва растения, които не могат да почистят съединения, получени чрез оксигениране, хвърля повече светлина върху това как работи шунтът и как се нуждае от допълнителна фотосинтетична енергия, за да функционира.
Шънтът: Поддържане на Moneymaker в безопасност.
Аналогия с байпаса е пилотната лампа, открита на по-стари газови уреди. Този малък поток от газ поддържа пламъка на минимално ниво, така че когато се подава газ, фурната, бойлерът или печката се запалват много бързо.
„Пилотната лампа може да изглежда като загуба на газ“, казва Том. "Но тя играе важна роля за поддържането на системата в готовност да бъде напълно осветена много бързо, без потребителят да се налага да намери съвпадение, за да запали пламъка.".
Том и две други лаборатории за PRL, Kramer и Hu, изследват мутантни растения с дефекти в смесени смеси за кислород. Мутант имаше недостатък в едно от специалните места за почистване, пероксизомата.
Мутацията забавя процеса на почистване, което води до натрупване на лоши съединения до много по-високи нива в сравнение със здравите растения.
Това натрупване спря цикъла на Калвин-Бенсън. Тъй като растението мутант не можа да рестартира правилно цикъла, той намери алтернативно решение:
- Растението премести въглерода извън цикъла и в растителната клетка;
- Той частично обработва въглерода по начин, подобен на този, който се случва в цикъла;
- Вкара отново въглищата в цикъла през задната врата, която беше отворена за тази ситуация.
- Байпасът грабна и след това изпомпа част от този въглерод обратно в цикъла, за да помогне за рестартирането му.
„Повишената шунт дейност изисква допълнителна енергия“, казва Том. „Фотосинтезата компенсира чрез увеличаване на производството (на АТФ), за да подхранва шунта и да задвижва цикъла на Калвин-Бенсън“.
Как работи байпасът при реални условия.
Въпреки че мутантът е изключение, той принуди растението да разкрие решения, които е трудно да се видят при здрави растения.
„При здрави растения цикълът на Калвин-Бенсън работи само когато има светлина“, казва Том. „Но в природата може да има големи промени, като движещи се облаци, които карат светлината да трепти и да изчезне. В тези ситуации е лесно да се срине цикълът на Калвин-Бенсън. Вярваме, че байпасът играе роля при рестартирането ».
„Днес електрониката направи пилота остарял“, добавя Том.
"По същия начин, след като разберем напълно шънта, може би можем да го заменим с по-ефективна система.".
Том заключава: „Имаме късмет в PRL. Този проект нямаше да се случи, ако другите лаборатории на PRL не ми бяха задавали въпроси за цикъла на Калвин-Бенсън. Рядко има толкова много хора, специализирани в различни части. на фотосинтеза, работещи заедно под един покрив. Можем да излезем от нашите зони на комфорт, да говорим и да си сътрудничим по изследователски проекти, които иначе няма да възникнат «.
Повече информация: Jiying Li et al. Цитозолен байпас и G6P шънт при растения без пероксизомна хидроксипируват редуктаза, физиология на растенията (2019). DOI: 10.1104/стр. 19.00256 Предоставено от Мичиганския държавен университет