Несподівані витоки фотосинтезу
Автор
Професор, директор лісових екосистем, агроресурсів, біомолекул та харчового полюса, Лотарингійський університет
Заява про розкриття інформації
Жан-П'єр Жакко отримав фінансування від Університету Лотарингії та від Labex Arbre.
Партнери
Університет Лотарингії забезпечує фінансування як партнер-засновник The Conversation FR.
Conversation UK отримує фінансування від цих організацій
- Електронна пошта
- Месенджер
Перетворення сонячного світла в хімічну енергію, процес, який називається фотосинтезом, є одним з найважливіших біологічних процесів на Землі. Кисневий фотосинтез спричиняє виділення кисню та фіксацію вуглекислого газу (СО2), здійснюється наземними рослинами, водоростями та деякими бактеріями, званими ціанобактеріями, завдяки їхньому блакитному забарвленню.
До цього часу походження процесу фотосинтезу, який розпочався 3,8 мільярда років тому з першими ціанобактеріями, було невідоме. В недавній науковій публікації ми показуємо, що під час еволюції організми, що належать до двох живих доменів (бактерії та археобактерії), зробили свій внесок у створення біологічної системи, на якій базується фіксація СО2.
Однак самі ці організми не є фотосинтетичними.
Цей результат, опублікований у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), є кульмінацією роботи, розпочатої більше сорока років тому. Вона була створена в рамках міжнародної команди, що включає Університет Лотарингії та INRA, університети Фрайбурга (Німеччина) та Берклі (США).
Фотосинтез, ключовий камінь біологічних балансів
СО2, зафіксований фотосинтезуючими організмами, використовується для синтезу цукрів. Отже, фотосинтез є джерелом більшості енергії та органічних речовин на Землі. Він також відіграє ключову роль у підтримці постійного рівня кисню та зменшенні вмісту СО2, основного парникового газу, в атмосфері Землі.
Ефективність фіксації CO2 в умовах рослин, зокрема врожайність сільськогосподарських культур. Краще розуміння функціонування та регулювання фотосинтезу може дозволити кращий контроль продуктивності рослин.
Фотосинтез рослин передбачає поєднання вуглекислого газу з атмосфери з водою, що поглинається корінням, за допомогою сонячної енергії, захопленої листям, з виділенням кисню для отримання цукру. Wattcle/Вікіпедія, CC BY-SA
Ферменти, що є основою зв’язування CO2
У рослинних клітинах зв'язування CO2 включає низку ферментів, що складають метаболічний цикл. Ферменти - це білки, які каталізують хімічні реакції. Ферменти дозволяють реакціям відбуватися зі швидкістю, яка може бути в мільйони разів швидшою, ніж без них. Як і будь-який білок, пептидна послідовність, що утворює фермент, безпосередньо пов'язана з нуклеотидною послідовністю ДНК генів, що кодують останні. Іншими словами, кожен фермент кодується геном.
Дослідники вивчали два з цих ферментів більше сорока років: фруктозо-1,6-бісфосфатаза (або FBPase) та седогептулоза-бісфосфатаза (або SBPase). Завдяки біохімічним та генетичним аналізам, проведеним на рослинному організмі, моху Physcomitrella patens, ми продемонстрували їх молекулярну структуру та спосіб дії. Ось як ми простежили еволюцію фотосинтетичної системи.
Генетичний хрест між двома сферами життя
Хоча два ферменти, виділені з моху, досить схожі за своїм способом дії та за своєю структурою, за винятком кількох деталей, які, проте, дуже важливі для їх регуляції, вони походять від організмів, що належать до двох різних доменів живих істот. Аналіз походження двох генів, що кодують ці ферменти, вказує на те, що один походить від нефотосинтезуючих бактерій, а інший - від предкових організмів, які називаються Archaea.
Таким чином, фотосинтетичні системи засновані на збірці генів, отриманих від більш примітивних організмів, які самі по собі не є фотосинтетичними. Ці гени пристосувались до дуже специфічного функціонування організмів, що практикують кисневий фотосинтез.
Попередники рослин з’явились 3,8 мільярда років тому завдяки несподіваному генетичному обміну. Це нове світло на витоки фотосинтезу може відкрити шляхи для підвищення врожайності сільськогосподарських культур.