Растения восприимчивы к стрессу, а в связи с глобальным воздействием изменения климата и растущим спросом человечества на продукты питания крайне важно понять, что вызывает у растений стресс и стрессоустойчивость. Когда растения поглощают избыточную световую энергию во время фотосинтеза, вырабатываются активные формы кислорода, потенциально вызывающие окислительный стресс, который повреждает важные структуры. Растения могут подавлять производство активных форм кислорода, окисляя P700 (хлорофилл реакционного центра в фотосистеме I). Новое исследование раскрыло больше об этом жизненно важном процессе: циклический поток электронов, вызванный окислением P700, представляет собой рекомбинацию электрического заряда, происходящую в фотосистеме I. Эти выводы были опубликованы 5 июня в журнале Plants..
Исследование проводилось профессором Чикахиро Мияке, доцентом Шинья Вада и Канаэ Кадота (Университет Кобе) в сотрудничестве с профессором Аманэ Макино (Университет Тохоку) и доцентом Юдзи Судзуки (Университет Иватэ).
Команда профессора Мияке показала в предыдущих исследованиях, что все фотосинтетические виды, производящие кислород, используют систему окисления P700 для борьбы с окислительным стрессом. Профессор Мияке и доктор Джайлс Джонсон (старший преподаватель Манчестерского университета) обнаружили, что окисление P700 сопровождается циклическим потоком электронов (CEF) в фотосистеме I (PSI). Этот циклический поток не нужен для линейного потока электронов, который является частью фотосинтеза, так что же он делает? Чтобы узнать больше об этом альтернативном потоке, команда проанализировала взаимодействие между переносчиками электронов, связанными с реакцией в комплексе PSI, и квантовым выходом PSII [Y(II)], который оценивает уровни активности линейного потока электронов. Они использовали основной урожай: листья пшеницы.
Результаты показали, что в потоке электронов от P700 (возбужденный P700) к ферредоксину (Fd) присутствуют переносчики электронов A0, A1, FX, FA/FB, а при накоплении P700?(окисленный P700), происходит рекомбинация зарядов, при которой электроны перетекают с электронных носителей. В Р700 происходит разделение заряда, передавая электроны переносчику электронов А0 и окисляясь с образованием Р700+. P700+ получает электроны от ФСII и восстанавливается до основного состояния. Между тем, электроны, принятые A0, передаются к A1, FX и FA/FB и поступают к NADP+ через Fd, в конечном итоге производя NADPH (химическая энергия, используемая в фотосинтезе). Судя по скорости реакции в образцах листьев, рекомбинация зарядов между FX и P700+ может считаться доминирующим путем.
Существование рекомбинации зарядов уже было обнаружено на клеточном уровне в биохимически выделенных PSI-комплексах, цианобактериях и зеленых водорослях. Однако до сих пор его роль в фотосинтезе была неясна. Это открытие предполагает, что электроны перетекают от FX к P700+ в зависимости от реактивности P700+.
В качестве вторичного результата команда также выявила механизм подавления производства активных форм кислорода, основанный на рекомбинации заряда. Переносчики электронов A0, A1, FX, FA/FB обладают очень низким восстановительным потенциалом по сравнению с кислородом. Это говорит о том, что они могут легко передавать электроны кислороду и производить активные формы кислорода. Обнаруженная в настоящей работе рекомбинация зарядов играет роль подавления взаимодействия этих электронных носителей с кислородом.
Это исследование предполагает, что циклический поток электронов, вызванный окислением P700, характеризуется реакцией рекомбинации заряда, которая происходит внутри комплекса PSI, включая необходимые условия и циклическую скорость переноса электронов. Следующим шагом является исследование универсальности роли рекомбинации зарядов в PSI-комплексах.