Как растения защищают себя от вредного воздействия солнца

Исследование показывает механизм, который растения могут использовать для рассеивания избыточного солнечного света в виде тепла.

Растения нуждаются в солнце для запуска фотосинтеза, процесса, который позволяет им сохранять солнечную энергию в виде молекул сахара, но слишком много солнца может обезвоживать и повредить их листья.

Основная стратегия, которую растения используют для защиты от такого рода фотоповреждений, – рассеивать дополнительный свет в виде тепла. Однако за последние несколько десятилетий было много споров о том, как растения на самом деле делают это.

«Во время фотосинтеза светосборные комплексы играют две, казалось бы, противоречивые роли. Они поглощают энергию для вододеления и фотосинтеза, но в то же время, когда энергии слишком много, они также должны быть в состоянии от нее избавиться», – говорит Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии в MIT.

В новом исследовании Шлау-Коэн и ее коллеги из MIT, Университета Павии и Университета Вероны впервые наблюдали один из возможных механизмов, предложенных для рассеивания энергии растениями. Ученые использовали высокочувствительный тип спектроскопии, чтобы определить, что избыточная энергия передается от хлорофилла, пигмента, который придает листьям зеленый цвет, другим пигментам, называемым каротиноидами, которые затем могут выделять энергию в виде тепла.

«Это первое прямое наблюдение переноса энергии хлорофилла в каротиноид в светосборном комплексе зеленых растений», – говорит Шлау-Коэн, которая является старшим автором исследования, которое недавно появилось в Nature Communications. «Это самое простое предложение, но никто не смог найти этот фотофизический путь до сих пор».

Избыток энергии

Когда солнечный свет попадает на растение, специализированные белки, известные как собирающие свет комплексы, поглощают энергию света в форме фотонов с помощью пигментов, таких как хлорофилл. Эти фотоны управляют производством молекул сахара, которые сохраняют энергию для последующего использования.

Многие предыдущие исследования показали, что растения способны быстро адаптироваться к изменениям интенсивности солнечного света. В очень солнечных условиях они превращают лишь около 30 процентов доступного солнечного света в сахар, а остальное выделяется в виде тепла. Если эта избыточная энергия останется в растительных клетках, она создаст вредные молекулы, называемые свободными радикалами, которые могут повредить белки и другие важные клеточные молекулы.

«Растения могут реагировать на быстрые изменения интенсивности солнечного света, избавляясь от дополнительной энергии, но что это за фотофизический путь обсуждается десятилетиями», – говорит Шлау-Коэн.

Самая простая гипотеза о том, как растения избавляются от этих дополнительных фотонов, состоит в том, что, как только комплекс, собирающий свет, поглощает их, хлорофиллы передают их соседним молекулам, называемым каротиноидами. Каротиноиды, которые включают ликопин и бета-каротин, очень хорошо избавляются от избыточной энергии посредством быстрой вибрации. Они также являются искусными мусорщиками свободных радикалов, что помогает предотвратить повреждение клеток.

Подобный тип передачи энергии наблюдался в бактериальных белках, которые связаны с хлорофиллом, но до сих пор его не наблюдали у растений. Одной из причин, почему было трудно наблюдать это явление, является то, что оно происходит в очень быстром масштабе времени (фемтосекунды или квадриллионы секунды). Еще одним препятствием является то, что передача энергии охватывает широкий диапазон уровней энергии. До недавнего времени существующие методы наблюдения за этим процессом могли измерять только небольшую полосу спектра видимого света.

В 2017 году лаборатория Шлау-Коэна разработала модификацию фемтосекундной спектроскопической техники, которая позволяет им смотреть на более широкий диапазон уровней энергии, охватывающий красный и синий свет. Это означало, что они могли контролировать передачу энергии между хлорофиллами, которые поглощают красный свет, и каротиноидами, которые поглощают синий и зеленый свет.

В этом исследовании ученые использовали эту технику, чтобы показать, что фотоны переходят из возбужденного состояния, которое распространяется по нескольким молекулам хлорофилла внутри комплекса, собирающего свет, в близлежащие молекулы каротиноидов внутри комплекса.

«Расширяя ширину спектральной полосы, мы могли бы посмотреть на связь между синим и красным диапазоном, что позволило нам наметить изменения в уровне энергии. Вы можете видеть движение энергии из одного возбужденного состояния в другое », – говорит Шлау-Коэн.

Как только каротиноиды принимают избыточную энергию, они выделяют большую ее часть в виде тепла, предотвращая вызванное светом повреждение клеток.

Повышение урожайности

Исследователи проводили свои эксперименты в двух разных средах: в одной из них белки находились в растворе моющего средства, а в другой они были встроены в специальный тип самоорганизующейся мембраны, называемой нанодиском. Они обнаружили, что передача энергии в нанодиске происходит быстрее, что позволяет предположить, что условия окружающей среды влияют на скорость рассеяния энергии.

Как именно избыточный солнечный свет запускает этот механизм в клетках растений, остается загадкой. Лаборатория Шлау-Коэна в настоящее время изучает вопрос о том, играет ли организация хлорофиллов и каротиноидов в мембране хлоропластов роль в активации системы фотозащиты.

Шлау-Коэн говорит, что лучшее понимание естественной системы фотозащиты растений может помочь ученым в разработке новых способов повышения урожайности. В 2016 году исследователи из Университета Иллинойса показали, что за счет чрезмерного производства всех белков, участвующих в фотозащите, урожайность может быть увеличена на 15–20 процентов. В этом документе также предполагалось, что производство может быть дополнительно увеличено до теоретического максимума около 30 процентов.

«Если мы поймем механизм, вместо того, чтобы просто регулировать все и получать от 15 до 20 процентов прироста, мы могли бы действительно оптимизировать систему и достичь теоретического максимума в 30 процентов прироста», – говорит Шлау-Коэн.

Вас также может заинтересовать:

Гены бактерий, вероятно, помогли растениям перейти на сушу

Самые вонючие фрукты в мире могут зарядить ваш мобильный телефон