Как ученые изучают способность растений защищаться от солнца

Для растений солнечный свет - обоюдоострый меч. Они нуждаются в нем для стимулирования фотосинтеза, но слишком много солнца может привести к обезвоживанию и повреждению их листьев. Основная стратегия, которую растения используют для защиты от фотоповреждений, заключается в рассеивании дополнительного света в виде тепла. Однако за последние несколько десятилетий было много споров о том, как растения на самом деле достигают этого.

“Во время фотосинтеза светособирательные комплексы играют две, казалось бы, противоречивые роли. Они поглощают энергию для расщепления воды и фотосинтеза, но в то же время, когда энергии слишком много, они также должны быть в состоянии избавиться от нее”, - говорит Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии Томаса Д. и Вирджинии У. Кэбота по развитию карьеры в Массачусетском технологическом институте.

В 2020 г. ученые из MIT опубликовали исследование в котором они непосредственно наблюдали один из возможных механизмов, как растения рассеивают энергию. Они использовали высокочувствительный тип спектроскопии, чтобы определить, что избыточная энергия передается от хлорофилла, пигмента, придающего листьям зеленый цвет, к другим пигментам, называемым каротиноидами, которые затем могут выделять энергию в виде тепла. “Это первое прямое наблюдение передачи энергии хлорофилла в каротиноиды в комплексе сбора света зеленых растений”, - поясняет Шлау-Коэн.

Когда солнечный свет попадает на растение, специализированные белки, известные как комплексы для сбора света, поглощают световую энергию в виде фотонов с помощью пигментов, таких как хлорофилл. Эти фотоны стимулируют производство молекул сахара, которые накапливают энергию для последующего использования.

Многие предыдущие исследования показали, что растения способны быстро адаптироваться к изменениям интенсивности солнечного света. В очень солнечных условиях они преобразуют только около 30% доступного солнечного света в сахар, в то время как остальное выделяется в виде тепла. Если этой избыточной энергии позволено оставаться в клетках растений, она создает вредные молекулы, называемые свободными радикалами, которые могут повредить белки и другие важные клеточные молекулы. “Растения могут реагировать на быстрые изменения интенсивности солнечного излучения, избавляясь от дополнительной энергии, но что такое этот фотофизический путь, обсуждается десятилетиями”, - говорит Шлау-Коэн.

Простейшая гипотеза о том, как растения избавляются от этих лишних фотонов, состоит в том, что как только комплекс сбора света поглощает их, хлорофиллы передают их близлежащим молекулам, называемым каротиноидами. Каротиноиды, например, ликопин и бета-каротин, очень хорошо помогают избавиться от избытка энергии за счет быстрой вибрации. Они также являются искусными поглотителями свободных радикалов, что помогает предотвратить повреждение клеток.

Подобный тип передачи энергии наблюдался в бактериальных белках, которые связаны с хлорофиллом, но до сих пор он не наблюдался у растений. Одна из причин, по которой было трудно наблюдать это явление, заключается в том, что оно происходит в очень быстром масштабе времени (фемтосекунды или квадриллионные доли секунды). Еще одним препятствием является то, что передача энергии охватывает широкий диапазон энергетических уровней. До недавнего времени существующие методы наблюдения за этим процессом позволяли измерять лишь небольшую часть спектра видимого света.

В 2017 году лаборатория Шлау-Коэна разработала модификацию метода фемтосекундной спектроскопии, которая позволяет им рассматривать более широкий диапазон уровней энергии, охватывающий красный и синий свет. Это означало, что они могли контролировать передачу энергии между хлорофиллами, которые поглощают красный свет, и каротиноидами, которые поглощают синий и зеленый свет.

В этом исследовании исследователи использовали этот метод, чтобы показать, что фотоны переходят из возбужденного состояния, которое распространяется по нескольким молекулам хлорофилла в комплексе сбора света, к близлежащим молекулам каротиноидов внутри комплекса. “Расширяя спектральную полосу пропускания, мы могли бы рассмотреть связь между синим и красным диапазонами, что позволило бы нам составить карту изменений уровня энергии. Вы можете видеть, как энергия переходит из одного возбужденного состояния в другое”, - комментирует Шлау-Коэн. Как только каротиноиды принимают избыточную энергию, они выделяют большую ее часть в виде тепла, предотвращая повреждение клеток, вызванное светом.

Исследователи проводили свои эксперименты в двух разных средах — в одной, в которой белки находились в растворе детергента, и в другой, в которой они были встроены в особый тип самосборной мембраны, называемой нанодиском. Они обнаружили, что передача энергии в нанодиске происходит быстрее, что позволяет предположить, что условия окружающей среды влияют на скорость рассеивания энергии.

Остается загадкой, как именно избыток солнечного света запускает этот механизм в клетках растений. Лаборатория Шлау-Коэна в настоящее время изучает, играет ли организация хлорофиллов и каротиноидов в мембране хлоропласта роль в активации системы фотозащиты.

Взятие под контроль данной системы рассеивания солнечного света в виде тепла растениями, могло бы не только увеличить урожайность отдельных культур, но и избежать повреждений декоративных культур, в частности тех, которые ценятся за необычную окраску листьев.