Молекулярные биологи впервые проследили за тем, как растения защищают свой хлорофилл от перегрева и разрушения. Для этого они используют каротены – пигментные молекулы красного цвета, которые рассеивают излишки солнечной энергии в виде тепла.
© Shutterstock/FOTODOM
«Растения могут быстро реагировать на изменения интенсивности света Солнца и избавляться от излишков энергии. Ученые десятилетиями спорили о том, как они делают. Мы впервые проследили за тем, как хлорофилл передает эту энергию в молекулы каротенов, которые встроены в светособирающий белковый комплекс растений», – рассказала Габриела Шлау-Коэн, доцент MIT и один из авторов исследования.
Почти у всех растений и цианобактерий есть уникальным набором ферментов и различных транспортных молекул, который позволяет им захватывать фотоны солнечного света и использовать их энергию для сборки молекул питательных веществ. Этот процесс очень эффективен с химической точки зрения, однако при этом растения используют лишь небольшую часть энергии солнца в рамках фотосинтеза.
Это происходит в том числе потому, что в клетки растений и микробов встроены специальные системы, которые ограничивают количество поглощаемого света. Когда представители флоры ощущают, что свет Солнца чрезмерно ярок, их листья и клетки начинают рассеивать свет, превращая его в тепло. Это защищает их от ожогов и чрезмерно сильного испарения воды.
Взлом фотосинтеза
Ученые давно пытаются «взломать» эту систему, настроив ее таким образом, чтобы растения могли поглощать больше света, если у них нет недостатка в воде. Подобный шаг значительно повысил бы урожайность многих сельскохозяйственных культур, а обратная операция позволила бы адаптировать многие влаголюбивые виды растений для жизни в полупустынном климате.
Наблюдая за тем, как менялось энергетическое состояние фотосистемы II – набора белков, которые захватывают частицы света и используют их энергию для расщепления молекул воды, молекулярные биологи из MIT раскрыли ключевой механизм работы этой системы. Для этого ученые использовали сверхбыстрый лазерно-электронный микроскоп, который может отслеживать, как меняется состояние компонентов фотосистемы II при взаимодействии с частицами света.
По словам Шлау-Коэн, биологи давно подозревали, что излишки энергии рассеивают молекулы красного пигмента бета-каротена, которых много в фотосинтезирующих клетках растений. Доказать это ученые не могли, так как раньшеинструменты не позволяли наблюдать за столь быстрыми реакциями в «чистом» виде, а другие подходы отслеживания реакций между хлорофиллом, белками и каротенами давали неоднозначные результаты.
Ученые из MIT доказали, что это действительно так происходит, упаковав одиночную фотосистему II внутрь специальной плоской мембраны. Благодаря ей ученые смогли проследить за взаимодействиями ее молекул со светом при помощи набора из сверхбыстрых лазеров, которые вырабатывали вспышки света длиной в миллионные доли наносекунды. Более того, эти наблюдения показали, что излишки энергии поступают в молекулы каротенов двумя разными путями, точное предназначение которых еще предстоит раскрыть.
Это открытие, как отмечает Шлау-Коэн, дает зеленый свет для изучения механизмов, которые помогают клеткам растений «чувствовать» избыток света и начать рассеивать лишнюю энергию в виде тепла. Ответ на этот вопрос в свою очередь позволит ученым и агрономам очень гибко управлять эффективностью фотосинтеза и урожайностью растений.
Статья опубликована в журнале Nature Communications, кратко об этом пишет пресс-служба Массачусетского технологического института (MIT).
Источник: ИТАР-ТАСС
