Поліпшення фотосинтезу для збільшення врожайності - Sciences et Avenir
Опубліковано 19.11.2019 о 9:00 ранку
Фотосинтез, процес, відповідальний за виробництво органічної речовини, енергії та кисню, необхідних для життя, можна було б вдосконалити тепер, коли ми краще зрозуміємо, як працює один з його найважливіших працівників - цитохром b6f.
Щоб прогодувати 9,7 мільярда людей у 2050 році, покращений фотосинтез може збільшити врожайність сільського господарства
ІГОР СТЕВАНОВИЧ/НАУКОВА ФОТО/IST/НАУКОВА ФОТОБІБЛІОТЕКА/AFP
До 2050 року чисельність людського населення на Землі становитиме 9,7 мільярда людей. На думку Продовольчої та сільськогосподарської організації ООН (ФАО), такий демографічний ріст повинен супроводжуватися значним збільшенням сільськогосподарського виробництва, намагаючись задовольнити зростаючі потреби населення. Врожайність сільського господарства сильно залежить від фотосинтетичної продуктивності рослинних культур, які ростуть лише в присутності вуглекислого газу (СО2), який вони перетворюють у глюкозу. Більш ефективний фотосинтез для кращого врожаю в сільському господарстві, стратегія, яка може вирішити проблему постійно зростаючого поживного попиту? На це питання відповіли вчені з Університету Шеффілда в дослідженні, опублікованому 13 листопада 2019 року в журналі Nature.
Лист, мініатюрний насос, необхідний для життя
Принцип фотосинтезу простий: СО2, присутній в атмосфері, поглинається і перетворюється в глюкозу (див. Схему нижче). Ця хімічна реакція відбувається в листі, точніше в хлоропласті, органелі рослинних клітин, присвяченій цій функції. Процес фотосинтезу поділяється на дві різні фази - світлову та темну - так звані, оскільки лише перша вимагає введення світлової енергії.
Під час цієї яскравої фази рослині потрібні світло і вода, перша використовується для розкладання другої. Цей етап відбувається в тилакоїдах, невеликих, дуже плоских відділеннях, розташованих усередині хлоропласта і складаються здебільшого з їх мембрани. У нього вбудовані найважливіші працівники фотосинтезу: білки, звані фотосистемами I і II, і два ферменти, цитохром b6f - який знаходиться між двома фотосистемами - і АТФ-синтаза.
Фотосинтез, спільні зусилля
До 2050 року чисельність людського населення на Землі становитиме 9,7 мільярда людей. На думку Продовольчої та сільськогосподарської організації ООН (ФАО), такий демографічний ріст повинен супроводжуватися значним збільшенням сільськогосподарського виробництва, намагаючись задовольнити зростаючі потреби населення. Врожайність сільського господарства сильно залежить від фотосинтетичної продуктивності рослинних культур, які ростуть лише в присутності вуглекислого газу (СО2), який вони перетворюють у глюкозу. Більш ефективний фотосинтез для кращого врожаю в сільському господарстві - стратегія, яка може вирішити проблему постійно зростаючого поживного попиту? На це питання відповіли вчені з Університету Шеффілда в дослідженні, опублікованому 13 листопада 2019 року в журналі Nature.
Лист, мініатюрний насос, необхідний для життя
Принцип фотосинтезу простий: СО2, присутній в атмосфері, поглинається і перетворюється в глюкозу (див. Схему нижче). Ця хімічна реакція відбувається в листі, точніше в хлоропласті, органелі рослинних клітин, присвяченій цій функції. Процес фотосинтезу поділяється на дві різні фази - світлову та темну - так звані, оскільки лише перша вимагає введення світлової енергії.
Під час цієї яскравої фази рослині потрібні світло і вода, перша використовується для розкладання другої. Цей етап відбувається в тилакоїдах, невеликих, дуже плоских відділеннях, розташованих усередині хлоропласта і складаються здебільшого з їх мембрани. У нього вбудовані найважливіші працівники фотосинтезу: білки, звані фотосистемами I і II, і два ферменти, цитохром b6f - який знаходиться між двома фотосистемами - і АТФ-синтаза.
Фотосинтез, спільні зусилля
Тут все стає хитро (див. Схему нижче). Фотосистеми I (PSI) та II (PSII) містять у своєму реакційному центрі хлорофіл а, відповідальний за поглинання світла. По-перше, саме фотосистема II (а не I, імена стосуються лише того порядку, в якому вони були виявлені) отримує фотон і направляє його до свого реакційного центру. Там фотон збуджує електрони в хлорофілі, який вивільняє один, віддаючи його первинному акцептору електрона: пластохінону. Щоб замінити цей відсутній електрон, необхідний хлорофілу, молекула води розщеплюється: атом кисню та два атоми водню розділяються. Один з воднів забезпечує свій електрон, тоді як його протон (Н +) залишається всередині тилакоїду.
Пластохінон транспортує електрон хлорофілу через ланцюг передачі електронів, наступною зупинкою якого є комплекс цитохрому b6f. У цьому цитохромі електрон, що надходить, переноситься на новий акцептор - пластоціанін. Під час цього переносу електрон втрачає енергію, і ця енергія використовується для надходження плаваючого протона із зовнішньої сторони тилакоїду у внутрішню. Цей протон додається до тих, які походять від розкладання води фотосистемою II. Потім пластоціанін транспортує електрон до фотосистеми I, але останній повинен поглинути фотон, щоб відновити енергію, виснажену внаслідок його проходження через цитохром b6f. Потім електрон надходить у спеціальний білок, який приєднує його до молекули, якій він віддає свою енергію: НАДФН.
Коли фотони потрапляють у фотосистему II, описаний вище ланцюг постійно оновлюється, і нові електрони відтворюють малюнок. Дедалі більше молекул води розщеплюється, і вивільнені атоми кисню з’єднуються попарно, утворюючи кисень, яким ми дихаємо. Крім того, протони, які перетинають цитохром, накопичуються в тилакоїді і відштовхують один одного, оскільки мають однаковий заряд. Вони залишають тилакоїд шляхом виходу: АТФ-синтаза, білок, який виробляє АТФ, валюта живої енергії. Проходячи протони, забезпечують енергією синтазу, яка перетворює молекулу аденозиндифосфату (АДФ) в аденозинтрифосфат (АТФ). Ці АТФ згодом будуть використані в темну фазу фотосинтезу, яка вироблятиме глюкозу.
Цитохром b6f є основним гравцем у житті
Таким чином, цитохром є справжнім «серцем» фотосинтезу, біологічного процесу, відповідального за виробництво органічної речовини, енергії та кисню, без якого життя просто не існувало б. Цей білковий комплекс встановлює електричний зв’язок між фотосистемами II та I, дозволяючи їм доповнювати та координувати синтез молекул АТФ та NADPH, необхідних для підтримки продуктивності рослин.
Лорна Малоун, яка керувала дослідницьким проектом, у заяві з Університету Шеффілда пояснює, як це дослідження "надає важливу нову інформацію про те, як цитохром b6f використовує електричний струм, що проходить через нього, для живлення" батареї для протонів ". Ця накопичена енергія може потім використовувати для виготовлення АТФ, енергопостачальника живих клітин. Зрештою, ця реакція забезпечує енергетичним рослинам необхідність перетворювати вуглекислий газ у вуглеводи. і біомасу, яка живить глобальний харчовий ланцюг "
Потенційне рішення для годування людей у 2050 році
"Попередні дослідження показали, що, маніпулюючи рівнями активності цього комплексу, ми можемо вирощувати більші та кращі рослини. Завдяки новим знанням, отриманим з нашої структури, ми можемо сподіватися на раціональний переосмислення фотосинтезу в рослинах, вирощених для досягнення більш високих врожаїв, яких нам терміново потрібно. ", - каже Метт Джонсон, який керував дослідженням. Генетичне маніпулювання генами, відповідальними за синтез білків, що утворюють цитохром b6f, представляється справжньою надією на збільшення врожаю в сільському господарстві. Цей варіант навіть зараз визнаний найкращою реакцією на годування 9,7 мільярдів людей у 2050 році. Зараз дослідники хочуть визначити, як цитохром b6f контролюється безліччю регуляторних білків і як ці регулятори впливають на функціонування цього комплексу.
Щоранку отримуйте безкоштовні оновлення новин