Учёные открыли молекулярный механизм адаптации хвойных к зиме
В бореальных лесах поздней зимой типичны морозы, но солнце уже может светить очень ярко. Это сочетание особенно опасно для вечнозелёных растений, таких как хвойные. Хлорофилл-пигментные белки в их хвое поглощают свет, но активность ферментов, остановленная холодом, мешает растениям использовать свет для фотосинтеза. Это подвергает клетки повреждениям.
Рассеивание избыточной световой энергии в виде тепла, так называемое нефотохимическое тушение (non-photochemical quenching), — это общий, быстрый и динамичный, но прерывистый механизм регуляции у всех растений и водорослей, используемый для защиты от повреждений, вызванных высокой интенсивностью света. Однако сочетание морозов и яркого света приводит у хвойных к особой форме тушения: устойчивому нефотохимическому тушению.
Исследователи из Университета Турку (Финляндия) обнаружили важную часть механизма, связанного с устойчивым нефотохимическим тушением у хвойных. Открытие значимо, так как этот механизм в науке всё ещё плохо изучен.
«Мы четыре года собирали образцы хвои в природе и изучали ветви ели в смоделированных условиях, имитирующих позднюю зиму. На основе биофизических и молекулярно-биологических анализов мы смогли показать, что трижды фосфорилированная изоформа белка LHCB1 и фосфо-PSBS белок в хлоропласте, по-видимому, являются необходимыми условиями для развития устойчивого нефотохимического тушения, которое безопасно рассеивает поглощённую световую энергию в виде тепла», — говорят докторант Штеффен Гребе и постдок Андреа Тротта из отдела биохимии университета.
При фосфорилировании белка фосфорильная группа добавляется к определённым аминокислотам, что является обычным механизмом регуляции белков в клетках. Фосфорилирование обнаруженных у ели белков ранее в науке не описывалось.
Исследователи полагают, что вместе с ограниченным фотоингибированием фотосистемы II эти фосфорилирования приводят к структурным изменениям в пигмент-белках, благодаря чему хвоя может эффективно рассеивать избыток световой энергии.
Секвенирование генома ели позволило провести новое исследование
Регуляторные механизмы фотосинтеза ранее изучались на молекулярном уровне в основном на быстрорастущих видах, обычно используемых в биологии растений, таких как резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) и водоросль Chlamydomonas reinhardtii. Однако изучать зимнюю акклиматизацию на этих растениях и легко переносить знания на хвойные виды невозможно. Молекулярно-биологические исследования хвойных стали возможны после публикации секвенирования генома ели в 2013 году.
«Геном ели примерно в десять раз больше человеческого. Секвенирование генома ели под руководством нашего давнего партнёра, профессора Стефана Янссона из Университета Умео, позволило провести молекулярное исследование фотосинтеза, которое мы сейчас выполнили в Турку», — говорит руководитель исследования, академик Ева-Мари Аро.
Новая информация об адаптации елей к окружающей среде может быть использована для оценки влияния изменения климата на фотосинтез хвойных и их способность быть поглотителем углерода, поскольку фотосинтез в хвойных лесах является одним из важнейших глобальных поглотителей углерода.