Учёные использовали компьютерные методы для изучения C4-фотосинтеза во время пандемии

Из-за закрытия лаборатории в марте 2020 года команда из Университета Эссекса перешла на вычислительные подходы, чтобы понять, почему некоторые растения лучше преобразуют свет и CO₂ в урожай. Результаты опубликованы в журнале Frontiers of Plant Science.

Существует два типа фотосинтеза: C3 и C4. Большинство продовольственных культур используют C3-фотосинтез, где углерод фиксируется в сахара в клетках мезофилла, где много кислорода. Однако кислород может мешать фотосинтезу. C4-растения эволюционировали, развив специализированные клетки обкладки для концентрации CO₂, что делает C4-фотосинтез на 60% эффективнее.

В этом исследовании учёные хотели выяснить, как C4-растения экспрессируют несколько важных ферментов именно в клетках обкладки, а не в мезофилле.

«Конечная цель — понять эти механизмы, чтобы улучшить C3-фотосинтез у таких культур, как вигна и маниок, от которых зависят мелкие фермеры в Африке», — сказал Чиди Афамефуле, постдок проекта RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) в Эссексе.

Проект RIPE, возглавляемый Университетом Иллинойса, направлен на повышение производства продуктов питания за счёт улучшения фотосинтеза при поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс, Фонда исследований в области продовольствия и сельского хозяйства и Министерства иностранных дел Великобритании.

Команда сравнила ДНК четырёх C3-злаков (включая ячмень и рис) и четырёх C4-злаков (включая кукурузу и сорго). Цель — найти участки ДНК, которые могут контролировать экспрессию четырёх ферментов фотосинтеза. Это, вероятно, первое сравнение экспрессии этих ферментов (SBPase, FBPase, PRK и GAPDH) у C3 и C4 растений.

«Было бы здорово найти "главный регулятор" для всех этих ферментов, но мы его не нашли и подозреваем, что его не существует», — отметил Афамефуле, руководивший исследованием из своей квартиры во время пандемии.

Вместо этого они обнаружили, что у C4-растений в ДНК есть несколько «активаторов», запускающих экспрессию в клетках обкладки, и «репрессоров», ограничивающих её в мезофилле. Учёные надеются, что этот генетический код поможет в будущем улучшить фотосинтез у менее эффективных C3-культур.

«Уже ведутся работы, чтобы помочь C3-растениям работать больше как C4. Такие исследования помогают нам определить мелкие детали в невероятно сложной машине, которую нужно понять, прежде чем настраивать и перепроектировать её», — сказала руководитель исследования Кристин Рейнс, профессор Школы биологических наук Эссекса.

Следующий шаг — экспериментальная проверка этих выводов в лаборатории. Команда вернулась к работе в лаборатории 6 июля 2020 года, соблюдая все рекомендации по безопасности.