Новое исследование предлагает новую стратегию ускорения роста сельскохозяйственных культур путем заимствования механизма быстрорастущих видов зеленых водорослей
Водоросли Chlamydomonas reinhardtii содержат органоид, называемый пиреноидом. Пиреноид ускоряет преобразование углерода, который водоросли поглощают из воздуха, в форму, чтобы организмы могли использовать ее для роста.
В статье, опубликованной 19 мая 2022 года в журнале Nature Plants, ученые из Принстонского университета вместе с коллегами рассказали, что применили молекулярное моделирование с целью определения особенности пиреноидов, наиболее важных для усиления фиксации углерода, а затем нанесли на карту, как эта функциональность может быть реализована в культурные растения.
Сегодня для многих людей основная часть пищевых калорий поступает из культурных растений, одомашненных тысячи лет назад. С тех пор достижения в области орошения, удобрения, селекции и индустриализации сельского хозяйства помогали кормить растущее человеческое население. Однако к настоящему времени нужны новые технологии, так как продовольственной безопасности угрожает изменение климата.
Ученые считают, что пиреноиды из водорослей предлагают именно такую инновацию. Если создать способность, подобную пиреноидам, концентрировать углерод в таких растениях, как пшеница и рис, эти важные источники пищи значительно ускорят развитие.
«В своем исследовании мы постарались предоставить четкое руководство по разработке механизма концентрации углерода в растениях, включая основные сельскохозяйственные культуры», - сказал Мартин Йоникас, старший автор исследования, адъюнкт-профессор молекулярной биологии в Принстоне и исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза.
Водоросль Chlamydomonas reinhardtii достигает фиксации углерода благодаря действию фермента Рубиско, который катализирует превращение СО 2 в органический углерод.
Наземные растения также используют Рубиско для связывания углерода, но в большинстве растений фермент работает примерно на треть своей мощности, потому что не может получить достаточное количество CO 2 для более быстрой работы.
Поэтому предпринимаются усилия для изучения механизмов концентрации углерода, особенно обнаруженных у цианобактерий и хламидомонад, с надеждой в конечном итоге обеспечить эту функцию для наземных сельскохозяйственных растений.
Но есть проблема. «Хотя структура пиреноида и многие его компоненты известны, ключевые биофизические вопросы о механизме остаются без ответа из-за отсутствия количественного и систематического анализа», - говорит старший соавтор Нед Уингрин, профессор Принстонского университета им. Говарда А. Прайора и профессор молекулярной биологии и Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера.
Чтобы получить представление о том, как работает механизм концентрации углерода пиреноидов водорослей, аспирант Принстона Чени Фей совместно со студенткой Александрой Уилсон, выпускницей 2020 года, разработали компьютерную модель пиреноидов с помощью соавтора Найла Мангана, доцента инженерных наук и прикладной математики в Северо-Западном университете Иллинойса.
Предыдущая работа показала, что пиреноид Chlamydomonas reinhardtii состоит из сферического матрикса Рубиско, через который проходит сосудистая сеть окруженных мембраной выростов, называемых пиреноидными канальцами, и окруженных оболочкой из крахмала.
Считается, что CO 2, поглощаемый из окружающей среды, превращается в бикарбонат, а затем транспортируется в канальцы, где затем попадает в пиреноиды. Фермент, присутствующий в канальцах, превращает бикарбонат обратно в CO 2, который затем диффундирует в матрикс Рубиско. Ученые выяснили подробности.
«Наша модель демонстрирует, что эта традиционная картина пиреноидного механизма концентрации углерода не может работать, потому что CO 2 быстро вытекает обратно из пиреноида до того, как Рубиско сможет на него воздействовать. Вместо этого крахмальная оболочка вокруг пиреноида должна действовать как диффузионный барьер для улавливания CO 2 в пиреноиды с помощью Рубиско», прокомментировал Уингрин.
В дополнение к идентификации этого диффузионного барьера модель выявила другие белки и структурные особенности, необходимые для концентрации CO 2. Модель также идентифицировала ненужные компоненты, что должно упростить внедрение пиреноидов в растения. Исследователи показали, что эта упрощенная модель пиреноида ведет себя аналогично реальной органелле.
