Фотосинтез - це те, як рослини «роблять собі їжу» та годують решту планети. Ключовим інгредієнтом цього рецепту є вуглець. Отже, процес уловлювання енергії від Сонця, яке потім використовується для вилучення вуглецю з атмосферного CO 2 .
Ігор Хоуват, Томас Д. Шаркі, Мічиганський державний університет
Але подорож сонячного світла до влади планети не є прямою лінією. Це більше серія маршрутів та об’їздів, які ведуть до фінішу. Причина в тому, що справа може піти не так. Якість світла змінюється, або воно стає сухим або занадто холодним. Ці зміни можуть уповільнити або пошкодити фотосинтез. Тому рослини мають резервні копії, щоб уникнути цих ситуацій.
Вчені хочуть знати ці тонкощі, щоб поліпшити фотосинтез. Загальна мета - створити більш ефективні рослини для харчування нашого швидко зростаючого населення.
Зараз дослідники лабораторії досліджень рослин (МРП) МДУ-DOE проливають більше світла на один із резервних копій, що підтримують фотосинтез за складних умов. Дослідження опубліковано в "Фізіологія рослин".
Вуглець: завод, що виробляє гроші.
Рослини вводять вуглець у свій раціон за допомогою фотосинтетичного процесу, відомого як цикл Кальвіна-Бенсона. Ця серія реакцій змішує вуглець з іншими хімічними речовинами, утворюючи нові сполуки, такі як крохмаль або цукри, які підтримують рослини та решту харчового ланцюга.
Вуглець є справді ключовим для життя на Землі.
Однак два рази з п’яти цикл підбирає кисень замість вуглекислого газу. Ця гикавка, яка називається оксигенацією, створює сполуки, які рослини не можуть використовувати для росту. Ще гірше, це зупиняє цикл.
Рослини повинні очистити ці сполуки та повернути їх у цикл, щоб вони могли перезапуститись. Ці зусилля витрачають час і енергію і вимагають переміщення сполук до спеціальних місць для чищення в інших частинах клітини.
"Цикл Кальвіна-Бенсона має вбудовані резервні копії для швидкого перезапуску процесу кожного разу, коли він сповільнюється", - говорить Том Шаркі, заслужений професор Університету PRL. `` Найкращий спосіб - це байпас, серія побічних реакцій, які забезпечують низький вміст вуглецевих продуктів у циклі. Це гарантує, що цикл перезапуститься якомога швидше.
Зараз лабораторія Шаркі, яка використовує рослини, які не можуть очистити сполуки, що утворюються в результаті оксигенації, проливає більше світла на те, як працює шунт і як йому потрібна додаткова фотосинтетична енергія для функціонування.
The Shunt: Захист Moneymaker у безпеці.
Аналогією байпасу є контрольна лампа, виявлена на старих газових приладах. Цей невеликий потік газу підтримує полум’я на мінімальному рівні, так що при подачі газу піч, водонагрівач або плита дуже швидко запалюються.
"Пілотне світло може виглядати як марне витрачання газу", - говорить Том. "Але це відіграє важливу роль у підтримці готовності системи до запалення повністю дуже швидко, без того, щоб користувач мав знаходити відповідник, щоб запалити полум’я".
Том та дві інші лабораторії PRL, Крамер та Ху, досліджували рослини-мутанти з дефектами змішаних киснем очисних сполук. У мутанта була помилка в одному із спеціальних місць очищення - пероксисомі.
Мутація уповільнила процес очищення, що призвело до того, що рослина накопичувала шкідливі сполуки до значно вищих рівнів порівняно зі здоровими рослинами.
Це накопичення зупинило цикл Кальвіна-Бенсона. Оскільки рослина-мутант не могла правильно перезапустити цикл, він знайшов альтернативне рішення:
- Рослина перемістила вуглець з циклу в клітину рослини;
- Він частково переробляє вуглець способом, подібним до того, що відбувається в циклі;
- Повторно вставляв вугілля в цикл через задні двері, які були відкриті для цієї ситуації.
- Байпас схопив, а потім перекачав частину вуглецю назад у цикл, щоб допомогти його перезапустити.
"Підвищена шунт-активність вимагає додаткової енергії", - говорить Том. "Фотосинтез компенсує збільшенням виробництва (АТФ), що підживлює шунт і рухає цикл Кальвіна-Бенсона".
Як працює байпас в реальних умовах.
Хоча мутант є винятком, він змусив рослину виявити розчини, які важко побачити у здорових рослин.
"У здорових рослин цикл Кальвіна-Бенсона працює лише тоді, коли є світло", - говорить Том. `` Але в природі можуть відбуватися великі зміни, такі як рухомі хмари, через які світло мерехтить і зникає. У таких ситуаціях легко зруйнувати цикл Кальвіна-Бенсона. Ми вважаємо, що байпас відіграє роль у перезавантаженні ».
"Сьогодні електроніка застаріла пілота", - додає Том.
"Так само, як тільки ми повністю зрозуміємо шунт, можливо, ми зможемо замінити його більш ефективною системою".
Том робить висновок: «Нам пощастило в PRL. Цього проекту не було б, якби інші лабораторії PRL не задавали мені питань щодо циклу Кальвіна-Бенсона. Рідко буває так багато людей, що спеціалізуються на різних частинах. фотосинтезу, працюючи разом під одним дахом. Ми можемо вийти з наших зон комфорту, поговорити та співпрацювати над дослідницькими проектами, які інакше не з’являться «.
Більше інформації: Jiying Li та співавт. Цитозольний байпас і шунт G6P у рослин, у яких відсутня пероксисомна гідроксипіруватредуктаза, фізіологія рослин (2019). DOI: 10.1104/pp.19.00256 Надано Університетом штату Мічиган