Растения сохранили бактериальный механизм контроля фотосинтеза

Биологи из Лондонского университета королевы Марии под руководством профессора Джона Аллена (John F. Allen) обнаружили в хлоропластах высших растений структуру, которая регулирует транспорт электронов. Как говорят авторы работы, такая же сигнальная система (TCS) существует и у примитивных доядерных бактерий. Эволюция ее не затронула, и система сохранилась в высших растениях в первозданном виде. По словам ведущего автора исследований профессора Аллена, это все равно что обнаружить у себя на компьютере вместо электронной почты азбуку Морзе или в новой модели CD-плеера -- восковой цилиндр.

Как это делают бактерии

У бактерий двухкомпонентная сигнальная система состоит из фермента киназы и белкового регулятора. Она улавливает малейшие изменения, происходящие в окружающей среде, а затем передает сигнал, который запускает или, наоборот, выключает экспрессию определенных генов.

Великий наследник

Точно такую же систему ученые обнаружили в хлоропластах высшего растения Arabidopsis thaliana -- распространенного модельного объекта для генетических исследований. Если эта древняя система сохранилась в хлоропластах, при том что эволюция ее не затронула, то очевидно, что она должна успешно справляться со своей задачей и выполнять очень важную функцию. Но какую? Ученые нашли ответ и на этот вопрос.

Фабрика фотосинтеза

Одно из отличий бактериальной клетки от растительной -- наличие у растений хлоропластов. В этих органеллах происходит фотосинтез -- сложнейший процесс, в результате которого органическое вещество синтезируется из неорганического за счет энергии солнечного света. При этом хлоропласт практически автономен, поскольку имеет даже собственный хлоропластный геном, и может самостоятельно регулировать свою работу.

Самое сердце фотосинтеза -- электрон-транспортная цепь. Энергия солнечных лучей запускает цепочку биофизических и биохимических реакций, передавая сигналы по этой цепи. А необходимый энергетический источник всех превращений, но при этом и злейший враг фотосинтеза, как это ни парадоксально, свет. Все дело в том, что избыточное освещение может вызвать образование кислородных радикалов, когда электрон-транспортная цепь не справляется с бесконечным потоком электронов, словно задыхаясь от их избытка. А образование кислородных радикалов, разрушающих все молекулы без разбора, уже настоящая катастрофа для клетки.

Система-контроллер

Вся сложнейшая машина фотосинтеза работает так, чтобы, с одной стороны, защитить клетку от избыточного света, а с другой -- обеспечить нормальное функционирование электрон-транспортной цепи и образование органического вещества. Ученым удалось показать, что этот процесс и контролирует древняя двухкомпонентная система -- наследие бактерий. При избыточном освещении, она мгновенно передает сигнал в хлоропластный геном, в котором уже происходит экспрессия генов, перестраивающих внутреннюю структуру хлоропласта таким образом, чтобы фотосинтез протекал успешно и ничто не мешало его отлаженной работе.

Результаты исследований опубликованы в февральском номере Proceedings of the National Academy of Sciences.