У растений есть механизмы контроля, которые напоминают органы чувств человека. Согласно новому исследованию Института науки Вейцмана, растения приспосабливают фотосинтез к быстрым изменениям освещения, используя сложную сенсорную систему, во многом так же, как человеческий глаз реагирует на изменения интенсивности света. Эта сенсорная регуляция работает при низкой интенсивности света, когда механизм фотосинтеза наиболее эффективен, но также и наиболее уязвим к внезапному увеличению освещенности.
Широко распространено мнение, что, поскольку чем больше солнечного света поглощает растение, тем больше у него энергии для роста, фотосинтез будет увеличиваться пропорционально интенсивности солнечного света. Только при достижении уровня, при котором чрезмерное излучение вызывает вредный «солнечный ожог», растение включит механизмы восстановления и выключит фотосинтез. Профессор Авихай Данон из Департамента наук о растениях и окружающей среде и его коллеги оценили флуоресценцию растений (свет, повторно испускаемый непродуктивным фотосинтезом, используемый в качестве неинтрузивного показателя для измерения уровней фотосинтеза) при слабом освещении, и они были удивлены, увидев обратное и обратное. четвертый шаблон.
Danon начал сотрудничество с профессором Ури Алоном из отдела молекулярной клеточной биологии, чья лаборатория занимается изучением биологических сетей и цепей, в том числе в человеческом теле. Команда - Авихай Тендлер (из лаборатории Алона) и доктора. Бат Чен Вольф и Вивекананд Тивари (из лаборатории Данона) подвергли Arabidopsis thaliana, модельные растения семейства горчичных, серии пошаговых 10-минутных повышений интенсивности света в диапазоне от низкого до умеренного, примерно эквивалентен утреннему свету на открытом воздухе, то есть ниже уровня, вызывающего стресс у растений.
Как сообщает iScience, ученые увидели, что флуоресценция вместо того, чтобы постоянно расти при усилении света, ненадолго взлетела на каждом шаге, а затем снова падала до исходного уровня. Каждый раз его пик был меньше, чем на предыдущем шаге. Это произошло потому, что, как обнаружили исследователи, когда свет становился сильнее, в фотосинтетический реакционный центр растения попадало меньше фотонов, чем можно было бы ожидать от увеличения интенсивности света. Каждый раз исследователям приходилось удваивать интенсивность света, чтобы получить тот же самый пик флуоресценции, что и на предыдущем этапе - закономерность, типичная для сенсорных механизмов у бактерий, животных и человека.
Эти результаты свидетельствуют о том, что в условиях низкой освещенности механизмы контроля фотосинтеза напоминают механизмы, действующие в таких сенсорных системах, как, например, человеческое зрение. Когда зрачки приспосабливаются к яркости света, эти изменения не только защищают сетчатку, но и гарантируют, что мы остаемся чувствительными к окружающей среде, несмотря на изменение условий освещения. Когда зрачки узкие, мы различаем только высокие контрасты освещения. В условиях низкой освещенности, например в сумерках, зрачки расширяются, пропуская больше света, что позволяет нам идентифицировать объекты, которые лишь незначительно отличаются в отраженном свете. Таким же образом усики фотосинтеза - светособирающие комплексы белков и молекул хлорофилла в растении - сжимаются при ярком свете и увеличиваются в условиях низкой освещенности. Как и зрачки, когда антенны увеличиваются, они более эффективно собирают свет и становятся более чувствительными к небольшим изменениям интенсивности света, но они также становятся более уязвимыми к изменениям, особенно внезапным.
«Растения обрабатывают фотосинтез осторожно, жертвуя эффективностью в краткосрочной перспективе ради долгосрочной стабильности», - говорит Данон. «В некотором смысле фотосинтетический аппарат «чувствует» окружающую среду, быстро регулируя количество «собранного» света до того, как ситуация выйдет из-под контроля, а не наращивает свою активность неконтролируемым образом до тех пор, пока не понесет ущерб».
Недавно обнаруженные средства контроля срабатывают быстро, выигрывая время для более медленных механизмов, которые адаптируют фотосинтез к развивающимся условиям. Эта изощренная стратегия выживания - один из способов, с помощью которых растения максимально используют солнечный свет в быстро меняющихся условиях на открытом воздухе, например, когда облака приходят и уходят, или когда ветер меняет угол листьев по отношению к солнцу.
проф. Авихай Данон является заведующим кафедрой профессоров Генри и Берты Бенсон.
проф. Исследование Ури Алона поддерживается Семейным исследовательским центром системной биологии человеческой клетки Кана; Сагольский институт исследований долголетия; Центр взаимодействия науки и гуманитарных наук им. Брагинского; Лидерская программа Цукермана STEM; Фонд «Восходящий прилив»; Европейский исследовательский совет; и семья Лефф. Профессор Алон является заведующим профессорской кафедрой Абиш-Френкеля.