Открытие завершает спор о местоположении ключевого фермента растений, участвующего в фотосинтезе

Ученые из Лондонского университета королевы Марии точно определили местоположение в клетках растений фермента, необходимого для фотосинтеза — процесса преобразования световой энергии в химическую.

Результаты, опубликованные в eLife, опровергают традиционные представления о том, где находится этот фермент в клетках, и указывают на его вероятную роль в регулировании энергетических процессов при адаптации растений от темноты к свету.

Реакция на окружающую среду

Во время фотосинтеза растения преобразуют углерод в запасы энергии посредством «транспорта электронов» с участием ферредаксин:НАДФ(H)-оксидоредуктазы, или FNR.

Растения могут быстро переключаться между двумя типами транспорта электронов — линейным (LEF) и циклическим (CEF) — в ответ на условия окружающей среды. С этим переключением связывают перемещение FNR между мембранными структурами в хлоропласте, где происходит фотосинтез.

Исследователи использовали иммунозолотое окрашивание, чтобы определить местоположение FNR в более чем 300 хлоропластах 18 растений Arabidopsis. Они обнаружили, что плотность окрашивания FNR была в пять раз выше во внутренней мембранной системе хлоропласта (тилакоидах), чем в растворимом компартменте (строме), где она не превышала фоновых уровней. Это значительно более высокое мечение на мембране доказало, что в хлоропластах мало растворимого FNR, и впервые подтвердило, где находится фермент.

Взаимодействие с другими белками

Чтобы лучше понять локализацию FNR, команда создала растения, в которых фермент специфически связан с разными «якорными» белками (tether proteins). В растениях Arabidopsis с пониженным содержанием FNR они заменили его тремя версиями FNR из кукурузы, каждая с разной способностью связываться с якорными белками TROL и Tic62. Оказалось, что «спасение» с помощью типов FNR из кукурузы, сильно связывающихся с Tic62, приводило к гораздо более высокой плотности золотого мечения FNR в специфических ламеллярных областях мембран тилакоидов. Это говорит о том, что распределение FNR по хлоропласту зависит от связывания с якорными белками.

Наконец, команда проверила, как локализация FNR влияет на транспорт электронов, сравнивая его скорость у растений, адаптированных к темноте, и после их акклиматизации к свету. У нормальных растений, адаптированных к темноте, кратковременное воздействие света приводило к переключению на более высокую активность CEF. Однако этого не наблюдалось у растений, лишенных сильного взаимодействия между FNR и якорными белками, что указывает на их неспособность включать CEF. После световой акклиматизации как дикий тип, так и мутантные растения демонстрировали схожую, сниженную активность CEF. Это позволяет предположить, что влияние FNR связано со светозависимыми изменениями во взаимодействиях между ферментом и якорными белками.

Результаты показывают связь между взаимодействием FNR с разными белками и активностью альтернативного пути транспорта электронов при фотосинтезе. Это подтверждает роль локализации FNR в регуляции потока электронов во время перехода растений из темноты к свету.