Фотосинтез — процесс, при котором растения под действием света превращают углекислый газ и воду в углеводы и кислород. Этот процесс происходит в специальных органеллах клеток листьев — хлоропластах, которые содержат тилакоидные мембраны с двумя основными комплексами — фотосистемами I и II. Кислород выделяется при разделении воды на фотосистеме II.
Животные и грибы, в отличие от растений, не могут фотосинтезировать, поэтому они потребляют кислород во время дыхания, при котором углеводы окисляются до углекислого газа и воды. Растения тоже дышат, особенно ночью и в корнях, но днем листья и иглы являются настоящими «фабриками кислорода».
Однако ученые из Умео университета (Швеция) обнаружили, что хвойные иглы сосны и ели зимой поглощают кислород на свету. Это было неожиданным открытием, которое заставило исследователей задаться вопросом: как это возможно и зачем им это нужно? Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Communications.
Я подумала, что что-то не так с прибором и повторила измерения
— Татьяна Шутова, старший научный сотрудник Умео университета.
Оказалось, что прибор работал исправно, а иглы действительно поглощали кислород на свету. Чтобы выяснить причину этого явления, ученые использовали комбинацию сложных методов. Они обнаружили, что поглощение кислорода происходит вокруг фотосистемы I и связано с особым типом белков — флаводиороновыми белками.
Флаводиороновые белки используются водорослями и цианобактериями для защиты своего фотосинтетического аппарата от повреждения избыточным светом. Они могут принимать электроны от фотосистемы I и переносить их на кислород, образуя воду. Таким образом, они предотвращают образование реактивных форм кислорода, которые могут повредить клетку.
Цветущие растения потеряли эти белки в ходе эволюции, но хвойные сохранили их, и это исследование предполагает, что они также способствуют фотозащите у хвойных. В начале весны, когда светло, но холодно, фотосинтез может быть затруднен из-за низкой температуры и недостатка углекислого газа. В этом случае флаводиороновые белки могут помочь иглам избежать стресса и подготовиться к активному фотосинтезу в теплое время года.
В предыдущем исследовании, которое ученые опубликовали три года назад в том же журнале, они выявили другой механизм — своего рода кратчайший путь между фотосистемой II и I, который используют хвойные для защиты своего фотосинтетического аппарата.
В обоих случаях есть интересные параллели. Хвойные сохранили процесс, который присутствует у низших растений, но который цветущие растения потеряли или не используют в такой же степени. Хвойные, по-видимому, приняли стратегию «лучше перебдеть, чем недобдеть», которая может быть менее эффективной в оптимальных условиях, но делает их более конкурентоспособными в суровом климате
— Стефан Янссон, профессор растительной клеточной и молекулярной биологии в Умео университете, который возглавлял проект.
