Открытие может помочь фермерам выращивать более урожайные культуры, особенно в местах с жёсткими условиями высокого освещения.
Путь, дополняющий основной процесс фотодыхания, указывает на то, что фотодыхание более гибко, чем кажется. Сяотон Цзян, научный сотрудник в лаборатории Цзяньпина Ху в Лаборатории исследований растений при Мичиганском государственном университете и Министерстве энергетики, и её коллеги опубликовали результаты в журнале Nature Communications.
Фотодыхание работает в связке с фотосинтезом, действуя как команда очистки, когда предшественник фотосинтеза создаёт вредные побочные продукты. Обычно основной фермент фотосинтеза, Рубиско, действует как карбоксилаза углекислого газа для производства сахара. Но он также является оксигеназой, которая может фиксировать кислород. Когда это происходит, процесс производит химическое вещество, вредное для клетки.
Чтобы предотвратить накопление этого химического вещества, фотодыхание запускает процесс его превращения во что-то менее летучее, что может быть повторно использовано в фотосинтезе.
Цзян и её коллеги обнаружили, что в стрессовых условиях растения могут использовать другой подход. Исследуя фотодыхание для своей докторской диссертации в лаборатории Ху, Цзян экспериментировала с лабораторным мутантом распространённого исследовательского растения Arabidopsis thaliana.
У мутанта отсутствовала способность производить ключевой фермент фотодыхания — гидроксипируват редуктазу 1, или HPR1. Когда эти растения выращивали в условиях высокого освещения, они с трудом поспевали за немутантными растениями.
Чтобы выяснить, что происходит внутри этих растений, команда работала в обратном направлении, вводя случайные мутации в дополнение к неработающему HPR1, и наблюдала, какие растения улучшились. Затем они определили, какие гены — и кодируемые ими ферменты — могут заменить неработающий фермент HPR1.
Они обнаружили, что нарушение работы фермента глиоксилатредуктазы 1, или GLYR1, может активировать параллельный путь с участием родственника HPR1 — HPR2, который исследователи называют цитозольным глиоксилатным шунтом.
Обычно GLYR1 преобразует глиоксилат в гликолат, но когда он выключен, глиоксилат накапливается и превращается в гидроксипируват, а затем в глицерат другим ферментом. Эти два ферментативных этапа также происходят в основном процессе фотодыхания. Однако шунт протекает в цитозоле клетки, тогда как аналогичные этапы в основном процессе фотодыхания происходят в пероксисомах.
Цзян описывает шунт как объездную дорогу, где автомобили (цитотоксичные химические вещества) движутся по повреждённой дороге (путь фотодыхания). «Если дорога сломана, много машин может застрять на парковках», — сказала она. «Если есть альтернативный путь, машины могут продолжать движение».
«Действительно важный вывод из этой работы заключается в том, что фотодыхание довольно гибко», — сказала Аманда Кениг, научный сотрудник в лаборатории Ху в Лаборатории исследований растений при Мичиганском государственном университете и соавтор статьи. Когда основной путь по какой-то причине нарушен, дополнительный путь может помочь в обработке цитотоксинов.
«Этот параллельный путь может иметь большой потенциал для повышения энергоэффективности и урожайности сельскохозяйственных культур без ущерба для их устойчивости к стрессовым условиям».
Хотя команда изучала конкретно условия высокого освещения, Цзян сказала, что этот путь может быть полезен и в других стрессовых ситуациях, но это необходимо определить в будущем.
Michigan State University