Исследовательская группа во главе с профессором Авихаем Даноном из Департамента наук о растениях и окружающей среде — докторантом доктором Эрезом Элияху, а затем аспирантами Идо Рогом и Инбалом Дангуром — изучала механизмы, контролирующие производство крахмала, которое является наиболее распространенным. углеводы в рационе человека и в больших количествах присутствуют в таких основных культурах, как рис, картофель и кукуруза. Растение начинает вырабатывать крахмал, как только включается утренний свет, и прекращается, когда фотосинтез прекращается ночью.Около полувека назад ученые обнаружили «включенный» переключатель для производства крахмала: запускающий фермент, который активируется посредством ряда регуляторных белков потоком электронов, генерируемых в процессе фотосинтеза.
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, USA (PNAS), ученые Института Вейцмана обнаружили выключатель для производства крахмала. Работая с горчичным растением под названием Arabidopsis, они выяснили цепочку биохимических событий, ведущих к его отключению в ночное время. Уменьшение света заставляет небольшой сигнальный белок, называемый ACTH4, терять электроны и окисляться, что, в свою очередь, быстро побуждает его передать сообщение «сделайте перерыв» ферменту, производящему крахмал.Открытие переключателя «выключено» важно само по себе, потому что способность быстро останавливать производство крахмала по требованию является важным атрибутом жизни растений.
Ночью растение расщепляет крахмал — его основной запас энергии — используя его для роста и развития. Если производство не остановится, завод войдет в бесполезный цикл энергозатрат, в котором оно будет по ошибке продолжать производить новый крахмал из продуктов распада.Продолжая исследовать механизм отключения, ученые сделали еще одно, совершенно неожиданное открытие. Они поняли, что этот механизм остается активным на низком уровне в течение дня.
Это как если бы завод запускал производство крахмала, одновременно нажимая на педаль газа и тормоза: включив производство и в то же время контролируя его. Когда ученые генетически сконструировали растения, чтобы устранить «тормоза», производство крахмала выросло почти на 20 процентов.
Это говорит о том, что в целом эффективность производства составляет всего около 80 процентов, потому что педаль тормоза постоянно включена. В будущем это исследование может позволить увеличить производство крахмала в сельскохозяйственных культурах.Почему растения естественным образом производят крахмал таким неэффективным способом?
Ученые считают, что этот, казалось бы, расточительный подход на самом деле является ключом к умной стратегии адаптации.Поскольку интенсивность света, а вместе с ним и скорость фотосинтеза, часто быстро колеблется в течение дня, растению необходимо постоянно корректировать свой метаболизм. В частности, синтез крахмала должен быть тесно согласован с фотосинтезом, чтобы соединения, образующиеся в реакциях фотосинтеза, быстро усваивались — в противном случае реактивные молекулы кислорода, называемые свободными радикалами, образующиеся как побочный продукт фотосинтеза, могут накапливаться до чрезмерных уровней, нанося вред здоровью человека. растение.
Одновременное нажатие на педали газа и тормоза позволяет растениям быстро и эффективно контролировать производство крахмала — путем регулировки относительной силы двух педалей. Более того, если все время держать педаль тормоза слегка нажатой, остается место для потенциального увеличения, если солнечный свет внезапно станет чрезвычайно интенсивным. Действительно, ученые обнаружили, что, когда интенсивность света в их экспериментах резко увеличивалась, синтез крахмала также кратковременно увеличивался.
Если бы растения уже производили крахмал на полную мощность, они не могли бы дальше увеличивать его производство — и погибали бы из-за избыточного количества свободных радикалов, образующихся при стремительном фотосинтезе. Таким образом, удержание «одной ноги на тормозах» является частью сложного набора механизмов контроля, которые помогли растениям выжить в течение сотен миллионов лет в резко меняющейся и часто непредсказуемой окружающей среде.