Открытие механизма работы важного белка меняет представление об адаптивности растений к холоду или жаре.
Когда температура на улице резко меняется, растениям приходится мгновенно адаптироваться – иначе они пострадают от последствий. Как пишет earth.com, недавно ученые смогли изучить, как растения смогли справляться с этой проблемой при помощи дополнительного белка.
Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что у растений может быть встроенный способ справляться с холодной погодой. Для этого они незаметно изменяют один из важнейших белков, который используется в фотосинтезе. После структурных изменений белок продолжает функционировать даже в измененных условиях.
Этот процесс был обнаружен в листьях Резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Это небольшое цветковое растение, широко используемое в качестве модельного организма в биологии.
Ключевые изменения происходят в белке Рубиско, поглощающий углекислый газ в процессе фотосинтеза. В условиях низких и высоких температур он неожиданно менял структуру. Прохладные условия способствовали формированию формы, требующей более быстрых реакций, тогда как более теплые условия способствовали формированию более устойчивой и защищенной формы.
Рубиско, возможно, является одним из важнейших белков на Земле. От него зависит каждый зеленый лист, поскольку он участвует в химической работе растения. На первом этапе фотосинтеза белок помогает превратить углерод из воздуха в сахара, которые растения используют для роста. Когда фермент Рубиско работает медленнее или связывает кислород вместо углекислого газа, растения теряют эффективность, что приводит к ослаблению фотосинтеза.
Но Рубиско не представляет собой единый жесткий блок. В его основе лежат восемь крупных белковых фрагментов, которые отвечают за химические процессы поглощения углекислого газа. Вокруг них расположены восемь более мелких деталей, которые помогают контролировать движение всей системы.
Ученые называют эти внешние части субъединицами. Они действуют как регулируемые элементы, помогая белку сохранять свою форму, а также допуская незначительные изменения во время реакций. Этот внешний слой позволяет растениям быстрее реагировать на изменяющиеся условия, такие как температура.
Вместо того чтобы заново строить весь белок, улавливающий углерод, они могут заменять эти более мелкие фрагменты, чтобы точно настроить работу Рубиско.
Оказалось, что температура напрямую влияет на то, какой из этих внешних компонентов используют растения. При температуре около 10 °C растения склонялись к использованию варианта фермента Рубиско, предназначенного для ускорения реакции.
Внешние части белка позволяли ему двигаться более свободно, увеличивая частоту захвата углекислого газа в секунду. Это помогало поддерживать производство сахара даже в холодных условиях, где химические реакции обычно замедляются.
При потеплении баланс сместился. Рубиско приобрел внешние компоненты, которые создали более плотную и контролируемую структуру. Эта версия работала более тщательно, более надежно удерживая углекислый газ и уменьшая потери энергии, которые чаще возникают при нагревании.
Не каждая молекула Рубиско имеет идеально согласованную структуру. В экспериментах многие из них образовывали смешанные версии, сочетая различные типы внешних субъединиц вместо того, чтобы ограничиваться одной единственной.
От 54 до 72 процентов белков в конечном итоге оказались в этих гибридных формах, часто в нескольких различных соотношениях.
Такое сочетание предполагает, что система гибкая, но не случайная. Растения могут использовать эти комбинации для дальнейшей тонкой настройки своих характеристик, хотя точный механизм этого процесса внутри живых клеток все еще изучается.
Непредсказуемые волны жары и резкие похолодания делают гибкость этого белка не просто лабораторной диковинкой для сельского хозяйства. Сельскохозяйственные растения не могут избежать плохой погоды или экстремальных температур, поэтому их химический состав должен адаптироваться к каждому внезапному изменению в месте их произрастания.
Более эффективный контроль над ферментом Рубиско может дать селекционерам еще одну цель для борьбы с растениями, которые сталкиваются с более сложными вегетационными периодами на сельскохозяйственных полях, находящихся в стрессовом состоянии.
В дальнейшем работа выйдет за рамки растения Arabidopsis thaliana и охватит такие основные сельскохозяйственные культуры, как рис, картофель, соя , хлопок, ячмень и кукуруза – растения, которые обеспечивают людей продовольствием и одеждой, а также поддерживают экономику сельского хозяйства в самых разных климатических условиях и системах производства продуктов питания.
Напомним, что в Китае представили генетически модифицированные растения, способные излучать мягкое естественное сияние. Ученые успешно перенесли гены, отвечающие за выработку света, от светлячков и определенных видов грибов непосредственно в клетки растений. На сегодня биолюминесцентными уже стали более 20 видов, среди которых популярны орхидеи, подсолнухи и хризантемы.