Відкриття механізму дії важливого білку змінює уявлення про здатність рослин пристосовуватися до холоду чи спеки.
Коли температура на вулиці різко змінюється, рослинам доводиться миттєво адаптуватися – інакше вони постраждають від наслідків. Як пише earth.com, нещодавно вчені змогли дослідити, як рослини справляються з цією проблемою за допомогою додаткового білка.
Нове дослідження, опубліковане в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, показує, що у рослин може бути вбудований спосіб справлятися з холодною погодою. Для цього вони непомітно змінюють один із найважливіших білків, який використовується у фотосинтезі. Після структурних змін білок продовжує функціонувати навіть у змінених умовах.
Цей процес було виявлено в листі гусимки звичайної (Arabidopsis thaliana). Це невелика квіткова рослина, яка широко використовується як модельний організм у біології.
Ключові зміни відбуваються в білку Рубіско, що поглинає вуглекислий газ у процесі фотосинтезу. В умовах низьких і високих температур він несподівано змінював структуру. Прохолодні умови сприяли формуванню форми, що вимагає швидших реакцій, тоді як тепліші умови сприяли формуванню більш стійкої та захищеної форми.
Рубіско, можливо, є одним з найважливіших білків на Землі. Від нього залежить кожне зелене листя, оскільки він бере участь у хімічній роботі рослини. На першому етапі фотосинтезу білок допомагає перетворити вуглець з повітря на цукри, які рослини використовують для росту. Коли фермент Рубіско працює повільніше або зв'язує кисень замість вуглекислого газу, рослини втрачають ефективність, що призводить до ослаблення фотосинтезу.
Але Рубіско не є єдиним жорстким блоком. В його основі лежать вісім великих білкових фрагментів, які відповідають за хімічні процеси поглинання вуглекислого газу. Навколо них розташовані вісім дрібніших деталей, які допомагають контролювати рух усієї системи.
Вчені називають ці зовнішні частини субединицями. Вони діють як регульовані елементи, допомагаючи білку зберігати свою форму, а також допускаючи незначні зміни під час реакцій. Цей зовнішній шар дозволяє рослинам швидше реагувати на мінливі умови, такі як температура.
Замість того щоб заново будувати весь білок, що уловлює вуглець, вони можуть замінювати ці дрібніші фрагменти, щоб точно налаштувати роботу Рубіско.
Виявилося, що температура безпосередньо впливає на те, який із цих зовнішніх компонентів використовують рослини. При температурі близько 10 °C рослини схилялися до використання варіанту ферменту Рубіско, призначеного для прискорення реакції.
Зовнішні частини білка дозволяли йому рухатися більш вільно, збільшуючи частоту захоплення вуглекислого газу за секунду. Це допомагало підтримувати виробництво цукру навіть у холодних умовах, де хімічні реакції зазвичай сповільнюються.
З потеплінням баланс змістився. Рубіско набув зовнішніх компонентів, які створили більш щільну та контрольовану структуру. Ця версія працювала ретельніше, надійніше утримуючи вуглекислий газ і зменшуючи втрати енергії, які частіше виникають під час нагрівання.
Не кожна молекула Рубіско має ідеально узгоджену структуру. В експериментах багато з них утворювали змішані версії, поєднуючи різні типи зовнішніх субодиниць замість того, щоб обмежуватися однією єдиною.
Від 54 до 72 відсотків білків у кінцевому підсумку виявилися в цих гібридних формах, часто в декількох різних співвідношеннях.
Таке поєднання передбачає, що система гнучка, але не випадкова. Рослини можуть використовувати ці комбінації для подальшого тонкого налаштування своїх характеристик, хоча точний механізм цього процесу всередині живих клітин все ще вивчається.
Непередбачувані хвилі спеки та різкі похолодання роблять гнучкість цього білка не просто лабораторною дивиною для сільського господарства. Сільськогосподарські рослини не можуть уникнути поганої погоди або екстремальних температур, тому їхній хімічний склад повинен адаптуватися до кожної раптової зміни в місці їхнього зростання.
Більш ефективний контроль над ферментом Рубіско може дати селекціонерам ще одну мету для боротьби з рослинами, які стикаються з більш складними вегетаційними періодами на сільськогосподарських полях, що перебувають у стресовому стані.
Надалі робота вийде за межі рослини Arabidopsis thaliana і охопить такі основні сільськогосподарські культури, як рис, картопля, соя, бавовна, ячмінь і кукурудза – рослини, які забезпечують людей продовольством і одягом, а також підтримують економіку сільського господарства в найрізноманітніших кліматичних умовах і системах виробництва продуктів харчування.
Нагадаємо, що в Китаї представили генетично модифіковані рослини, здатні випромінювати м'яке природне сяйво. Вчені успішно перенесли гени, що відповідають за вироблення світла, від світлячків і певних видів грибів безпосередньо в клітини рослин. На сьогодні біолюмінесцентними вже стали понад 20 видів, серед яких популярні орхідеї, соняшники та хризантеми.