Вся жизнь на земле в конечном счете зависит от энергии солнца, и фотосинтез является жизненно важным звеном. Фотосинтез генерирует аденозинтрифосфат (АТФ), который является универсальным молекулярным топливом в живых организмах. Международная группа исследователей разработала подход к визуализации АТФ в живых растениях и обнаружила, что хлоропласты зрелых растений управляют своим АТФ в основном изолированно от других клеточных пространств. Результаты указывают на стратегию растений по эффективному использованию своей энергии, которая может помочь в селекции сельскохозяйственных культур в будущем.
Их наблюдения показали, что только хлоропласты очень молодых развивающихся листьев Arabidopsis thaliana могут импортировать АТФ из цитозоля для поддержки развития хлоропластов, тогда как скорость импорта АТФ в зрелые хлоропласты для поддержки CO2фиксация была незначительной. Этот переход в развитии может быть важен для ограничения бесполезного потребления АТФ ночью, когда фотосинтез не работает.
«Мы наблюдали значительно более низкую концентрацию АТФ в хлоропластах, чем в цитозоле зрелых фотосинтезирующих клеток», - сказал ведущий автор исследования доктор Бун Леонг Лим из Школы биологических наук Университета Гонконга. «Хотя хлоропласт является ключевым сборщиком и производителем энергии в растительной клетке, его потребность в АТФ также чрезвычайно высока. Освещение мгновенно увеличивает концентрацию АТФ в хлоропластах, но она очень быстро падает до базового уровня после прекращения освещения. Наши результаты показывают, что существует была необходимость ограничить потребление АТФ зрелыми хлоропластами в темноте. Основная задача зрелых хлоропластов мезофилла - собирать энергию и экспортировать сахар для поддержки роста растений на свету. Тем не менее, следует избегать расточительного потребления энергии в темноте». Их выводы были недавно опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Соавторы доктор Уэйн К. Версоу и Абира Саху из Техасского университета A&M заявили: «Живые изображения неповрежденных растений обеспечили пространственное и временное разрешение для выявления важных изменений в том, как различные клеточные компартменты взаимодействуют для управления фотосинтезом и общей клеточной энергией».."
Эти результаты также имеют важное значение для понимания потока энергии в растительных клетках. Используя энергию солнечного света, молекулы воды расщепляются на протоны, кислород и электроны. Электроны проходят через фотосистемы, восстанавливая НАДФ+ до НАДФН. Вместе с расщеплением воды этот так называемый линейный поток электронов (LEF) также создает градиент pH на тилакоидной мембране, который является движущей силой для синтеза АТФ. Для фиксации одной молекулы CO2 в хлоропласте расходуются 3 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДФН. Однако LEF генерирует только 2,57 молекул АТФ на 2 НАДФН. Чтобы фотосинтез работал эффективно, необходимо восполнить дефицит АТФ. В статье, опубликованной в журнале Nature в 2015 году (524:366-369), показано, что хлоропласты одноклеточных диатомей могут импортировать цитозольную АТФ для поддержки фиксации углерода.
Чиапао Вун, который присоединился к лаборатории в качестве аспиранта, сказал: «В отличие от одноклеточных диатомовых водорослей, хлоропласты зрелых растений не могут импортировать АТФ из цитозоля для восполнения потребности в CO2фиксация. Скорее, экспорт восстанавливающих эквивалентов является ключом к поддержанию оптимального соотношения АТФ/НАДФН, необходимого для фотосинтеза. В противном случае накопление НАДФН в хлоропластах будет препятствовать фотосинтезу.
Возможность изучать метаболизм в живой клетке с пространственным разрешением между различными клеточными компартментами является большим шагом вперед и значительно расширит наше понимание того, как работает клетка. влияние митохондрий на фотосинтетический метаболизм», - сказал соавтор исследования профессор Пер Гардестрём из Университета Умео.
Соавтор профессор Маркус Шварцлендер из Мюнстерского университета добавил: «Исследование приближает нас к пониманию того, насколько тщательно клетки оптимизируют условия работы в своих различных органеллах. поддерживаться, и как это выглядит динамически корректируемым.