Когда температура падает, фермент Rubisco, который способствует росту и урожайности растений, становится вялым. Многие культуры компенсируют это, производя больше Rubisco; однако ученые предположили, что некоторым культурам может не хватать места в листьях для увеличения выработки этого фермента, что делает их более восприимчивыми к холоду. Новое исследование, проведенное Университетом Иллинойса и Массачусетским технологическим институтом, опровергает эту теорию, но обнаружило, что эти культуры далеки от достижения своего фотосинтетического потенциала.
Ученые знали, что в листьях сои, риса и других культур С3 есть место для дополнительного количества Rubisco. Однако культуры С4, такие как кукуруза и сахарный тростник, используют клетки мезофилла для биохимического закачивания углекислого газа во внутренние клетки, называемые оболочкой пучка, где Rubisco находится при концентрациях углекислого газа, которые в десять раз превышают атмосферные уровни. Больше углекислого газа делает Rubisco более эффективным.
"Но если выделить фермент только в одной части листа, будет ли достаточно места для большего количества Rubisco, необходимого при более низких температурах?" - сказал Стивен Лонг, заведующий кафедрой растениеводства и биологии растений Университета Икенберри в Институте геномной биологии имени Карла Р. Вёзе в Иллинойсе.
В исследовании, опубликованном в Journal of Experimental Botany, измерялся объем хлоропластов, содержащих Rubisco, которые находятся в оболочках пучков кукурузы, сахарного тростника, а также морозостойкого мискантуса. Команда пришла к выводу, что объемов хлоропластов этих культур C4 достаточно, чтобы содержать более чем достаточно Rubisco для проведения фотосинтеза при низких температурах. Любопытно, что у мискантуса были самые маленькие хлоропласты, что свидетельствует об отсутствии связи между объемом хлоропластов и устойчивостью к холоду.
«Тем не менее, эти растения все еще не в состоянии достичь своего максимального потенциального выхода энергии», - сказал ведущий автор Чарльз Пиньон, исследователь с докторской степенью в Иллинойсе, чья работа была поддержана фондом Эдварда Уильяма и Джейн Марр Гутгселл. «Теперь, когда мы исключили пространство как ограничивающий фактор, нам нужно изучить, какие другие факторы влияют на устойчивость к холоду этих важных культур».
Открыв ключ к устойчивости к холоду, ученые-растениеводы могут расширить регион выращивания и сезон выращивания этих культур, чтобы увеличить производство продуктов питания и биоэнергии по всему миру. Затем исследователи планируют сравнить холодостойкость сортов мискантуса, чтобы выявить важные различия.