Хрупкое равновесие электронов, протекающих через фотосинтезирующий механизм, необходимо для способности растения превращать солнечный свет в энергию и для его выживания. Понимание факторов, которые регулируют этот баланс, является ключевым для селекционеров, которые могут захотеть улучшить преобразование световой энергии в сельскохозяйственных культурах для повышения урожайности.
Ученым известно, что конкретный белок отвечает за регуляцию экспрессии генов фотосистем в ответ на возмущения фотосинтетического потока электронов, но вопрос о том, как он воспринимает электроны, остается нерешенным. Ученые Университета Пердью Суджит Путияветил и Искандер Ибрагим считают, что у них есть ответ.
Ибрагим, научный сотрудник лаборатории Путияветил, и Путияветил, доцент кафедры биохимии и член Центра биологии растений Purdue, с коллегами Уильямом А. Крамером, заслуженным профессором биологических наук имени Генри Коффлера Purdue Юлией Пушкарь, профессор физики и астрономии, и В. Энди Тао, профессор биохимии, показали, что белок сенсорной киназы хлоропластов (CSK) снабжен эволюционно законсервированным железо-серным кластером. Кластер помогает ему ощущать присутствие электронов и тем самым посылать сигналы механизму экспрессии генов в хлоропластах растений, чтобы включать и выключать гены фотосистемы.
«CSK - это древний белок, обнаруженный как в цианобактериях, так и в хлоропластах. Более миллиарда лет назад цианобактерия поселилась внутри эукариотической клетки-хозяина и стала хлоропластом растений и водорослей», - сказал Путияветил.«Изучая CSK-белки цианобактерий, растений и диатомовых водорослей, мы обнаружили, что CSK использует железо-серный кластер для определения переноса электронов, оценки того, насколько хорошо электроны текут, и корректировки относительного количества фотосистем растений, чтобы сохранить их. фотосинтез работает правильно и защищает растение от окислительного стресса."
Ученых натолкнул на потенциал металлического кластера коричневатый цвет CSK.
«Когда мы наткнулись на коричневый цвет, мы знали, что стали на шаг ближе к расшифровке молекулярного языка, который CSK использует для общения с фотосинтетической цепью переноса электронов», - сказал Ибрагим, ведущий автор результатов, опубликованных в журнал Коммуникационная биология. «Коричневый оттенок белка CSK возникает из-за его кластера железо-сера. Известно, что кластеры железо-сера играют важную роль в проведении реакций переноса электронов в жизни».
Во время фотосинтеза растения превращают солнечный свет в энергию через две фотосистемы. Фотосистема I эффективно использует длинноволновый свет, в то время как фотосистема II предпочитает в основном коротковолновый свет, при этом две фотосистемы связаны пулом пластохинона. По мере работы систем фотосистема II посылает электроны в пластохиноновый пул, а фотосистема I удаляет и использует их.
Но если растение подвергается воздействию света с более короткой длиной волны, электронный баланс может быть нарушен. В этом случае фотосистема II отправит электроны в пластохиноновый пул, но фотосистема I не сможет их эффективно привлечь. Эти электроны могут задерживаться в пуле пластохинона и производить опасные свободные радикалы.
«Две фотосистемы подобны двум фотогальваническим элементам, соединенным последовательно», - сказал Путияветил. «Они должны преобразовывать световую энергию с одинаковой скоростью для оптимального транспорта электронов. Если транспорт электронов не сбалансирован, вы получаете свободные радикалы, которые могут повредить фотосинтетический механизм растения и повредить или убить растение."
Ученые Purdue определили, что железо-серный кластер CSK действует как своего рода магнит для этих дополнительных электронов. Когда пул пластохинона уменьшается, то есть в нем появляется избыток электронов, эти электроны просачиваются в CSK и отключают его киназную активность.
Когда активность киназы прерывается, CSK прекращает перенос фосфатных групп в механизм экспрессии генов хлоропластов, включая гены фотосистемы I и увеличивая их количество и, следовательно, активность в коротковолновом свете. По сути, когда киназная активность CSK включена, она служит педалью тормоза для экспрессии генов фотосистемы I.
CSK окислительно-восстановительно-реактивна, что означает, что она использует железо и серу для восприятия потока электронов, и это поддерживает работу двух фотосистем с одинаковой скоростью в процессе фотосинтеза.
Выводы проливают свет на элегантный механизм регуляции процессов фотосинтеза растений. Вполне возможно, сказал Путияветил, что в один прекрасный день эту регулирующую схему можно будет изменить, чтобы повысить эффективность фотосинтеза у сельскохозяйственных культур за счет улучшения захвата света в затененных условиях.
Министерство энергетики США, Национальный научный фонд и Show alter Trust поддержали исследование.