Это крошечное растение может помочь сельскохозяйственным культурам быстрее превращать солнечный свет в пищу
Молекулярная «липучка» крошечного растения может помочь сельскохозяйственным культурам более эффективно преобразовывать солнечный свет в пищу.
Международная группа ученых выявила удивительную молекулярную стратегию, используемую редкой группой наземных растений. Это открытие в конечном итоге может быть применено к таким важным сельскохозяйственным культурам, как пшеница и рис, помогая им более эффективно преобразовывать солнечный свет в пищу.
Исследование, проведенное группами из Института Бойса Томпсона (BTI), Корнельского университета и Эдинбургского университета, решает серьезную проблему в сельском хозяйстве. В центре проблемы находится Рубиско — фермент, отвечающий за поглощение углекислого газа во время фотосинтеза, — который известен своей медленной и неэффективной работой.
Почему Рубиско ограничивает фотосинтез
Рубиско необходим для жизни, но он плохо справляется со своей задачей. Он часто реагирует с кислородом вместо углекислого газа, что приводит к потере энергии и снижению продуктивности растений.
«Рубиско, пожалуй, самый важный фермент на планете, потому что он является точкой входа почти всего углерода в пище, которую мы едим», — сказала доцент BTI Фэй-Вэй Ли, соруководитель исследования. «Но он работает медленно и легко отвлекается кислородом, что приводит к потере энергии и ограничивает эффективность роста растений».
Некоторые организмы разработали способы преодоления этого ограничения. Многие виды водорослей помещают Рубиско внутрь крошечных внутренних структур, называемых пиреноидами — по сути, микроскопических пузырьков, которые концентрируют углекислый газ вокруг фермента, позволяя ему работать более эффективно.
Ученые давно надеялись внедрить подобную систему в сельскохозяйственные культуры, которые в природе не имеют пиреноидов. Однако перенос сложного механизма из водорослей в сельскохозяйственные культуры оказался очень сложной задачей.
Растения-роголистники дают новую подсказку
Ключевой прорыв произошел благодаря изучению роголистников — единственных известных наземных растений, имеющих компартменты для концентрации CO2, подобные тем, что есть у водорослей. Поскольку роголистники более тесно связаны с сельскохозяйственными культурами, чем водоросли, исследователи полагали, что их биологические механизмы могут быть легче адаптированы.
То, что они обнаружили, оказалось неожиданным.
«Мы предполагали, что роголистники будут использовать что-то похожее на то, что используют водоросли — отдельный белок, который объединяет Рубиско», — сказал Таннер Робисон, аспирант, работающий с Ли и один из первых авторов статьи. «Вместо этого мы обнаружили, что они модифицировали сам Рубиско для выполнения этой работы».
«Молекулярная липучка» RbcS-STAR
Исследователи идентифицировали уникальный белковый компонент, называемый RbcS-STAR. Рубиско состоит из больших и малых белковых частей. У роголистников одна из версий этого небольшого фрагмента включает в себя дополнительный хвостик — область STAR, — которая ведет себя как молекулярная липучка, заставляя молекулы Рубиско группироваться вместе.
Чтобы проверить, может ли эта особенность работать в других растениях, команда провела несколько экспериментов. Сначала они ввели RbcS-STAR в близкородственный вид роголистника, который не образует пиреноидов. В результате Рубиско перешел от распределения по всей клетке к образованию концентрированных пиреноидоподобных структур.
Затем ученые протестировали тот же подход на арабидопсисе, широко используемом модельном растении. И снова Рубиско образовал плотные кластеры внутри хлоропластов.
«Мы даже попробовали прикрепить только хвостик STAR к нативной Рубиско арабидопсиса, и это вызвало тот же эффект кластеризации», — сказал Алистер Маккормик, профессор Эдинбургского университета, один из руководителей исследования. «Это говорит нам о том, что STAR действительно является движущей силой. Это модульный инструмент, который может работать в различных растительных системах».
На пути к более эффективным культурам
Эта способность работать с различными видами делает открытие особенно перспективным для сельского хозяйства. Она предполагает, что ученые смогут активировать кластеризацию Рубиско в сельскохозяйственных культурах, добавив один универсальный компонент, похожий на липучку, вместо того, чтобы воссоздавать всю сложную систему.
Однако проблемы остаются. Помимо кластеризации Рубиско, растения также должны эффективно доставлять углекислый газ к ферменту.
«Мы построили дом Рубиско, но он не будет эффективным, если мы не обновим систему отопления, вентиляции и кондиционирования», — сказала Лаура Ганн, доцент Корнельского университета, соруководитель исследования. Сейчас команда работает над решением этой проблемы.
Шаг к повышению урожайности
Даже с учетом этих препятствий, открытие представляет собой значительный шаг вперед. Улучшение фотосинтеза, даже незначительное, может привести к повышению урожайности и снижению воздействия сельского хозяйства на окружающую среду. Это важная цель, поскольку глобальный спрос на продовольствие продолжает расти.
«Это исследование показывает, что природа уже проверила решения, из которых мы можем извлечь уроки», — сказал Ли. «Наша задача — достаточно хорошо понять эти решения, чтобы применить их там, где они наиболее необходимы — в сельском хозяйстве, которое кормит мир».
