Растениям для фотосинтеза нужны «мотиватор» и «надзиратель»

Биологи LMU показали, что для выполнения своей функции в фотосинтезе третьему белку необходимы белки-«надзиратель» и «мотиватор».

Для синтеза сахаров в процессе фотосинтеза растениям, водорослям и цианобактериям нужны только три компонента — углекислый газ, вода и солнечный свет. Однако процесс гораздо сложнее. Группа профессора Дарио Лейстера из LMU исследует сложную регуляцию фотосинтеза. Их новое исследование раскрывает роль трёх белков: PGRL1, PGRL2 и PGR5, которые участвуют в контроле одной из двух подсистем фотосинтетического аппарата. Белок PGRL2 был впервые обнаружен в ходе этого исследования.

Фотосинтез включает несколько согласованных последовательностей реакций. Световая энергия поглощается двумя «фотосистемами» — PSI и PSII. Они работают в двух основных режимах — линейном и циклическом.

• Линейный электронный поток (LEF): PSII и PSI действуют последовательно. Свет отрывает электроны от молекул воды, генерируя протоны (H⁺) и молекулярный кислород. Энергия электронов в конечном итоге запасается в форме ATP, а также обеспечивает «восстановительные эквиваленты» для превращения CO₂ в сахара.
• Циклический электронный поток (CEF): задействован только фотосистема I. Электроны следуют по циклическому маршруту, генерируя только ATP. Этот путь особенно важен при стрессе, когда растению нужно больше ATP.

Один работник, один мотиватор, один надзиратель

Как регулируется циклический путь? Около 20 лет назад у мутантов Arabidopsis thaliana был обнаружен ген PGR5 (от «proton gradient»), мутация в котором нарушала формирование протонного градиента. Однако у белка PGR5 не было последовательностей, характерных для переносчика электронов.

В 2008 году Лейстер обнаружил второй белок — PGRL1 («pgr5-like 1»). Инактивация либо PGRL1, либо PGR5 снижала циклический электронный поток. Потеря PGRL1 дестабилизировала PGR5, но не наоборот. PGRL1, имеющий структурные элементы переносчика электронов, считался ключевым компонентом циклического режима.

Позже была выявлена роль третьего белка — PGRL2, что усложнило картину:

• Отключение PGRL2 не влияло на фотосинтез.
• Избыток PGRL2 дестабилизировал PGR5, даже при наличии PGRL1.
• Одновременная инактивация PGRL1 и PGRL2 приводила к повторному появлению PGR5, который самостоятельно восстанавливал циклический транспорт электронов. Однако такие растения росли медленнее, чем те, у которых отсутствовал PGR5.

Интерпретация Лейстера:

• PGR5 — выполняет основную работу.
• PGRL1 — мотиватор PGR5. Без него PGR5 неактивен.
• PGRL2 — надзиратель PGR5. Без него PGR5 работает хорошо. Но при одновременном отсутствии мотиватора и надзирателя PGR5 становится гиперактивным и в конечном итоге разрушительным.

Команда Лейстера планирует изучить биохимические механизмы этого взаимодействия, используя в качестве модели генетически более простые цианобактерии.