Новое исследование в Институте Вейцмана дает возможность глубже понять фотосинтез и то, как этот процесс можно улучшить для искусственного выращивания растений. Исследователи из отдела биомолекулярных наук Института Вейцмана работают над тем, чтобы манипулировать процессом фотосинтеза для достижения более эффективного использования ресурсов в условиях слабого освещения. Это открытие может оказать значительное влияние на методы сельского хозяйства в будущем.
Фотосинтез — это природный процесс, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют солнечную энергию в химическую. В ходе этого процесса растения используют солнечный свет для синтеза углеводов из углекислого газа и воды. Хлоропласты — это органеллы, которые находятся в клетках растений и являются местом, где происходит фотосинтез. Они содержат мембраны, которые организуют ключевые белки, участвующие в преобразовании солнечной энергии. Эти белки играют важную роль в захвате света и передаче электронов, что позволяет растению вырабатывать энергию.
Под руководством доктора Рейнат Нево из Института Вейцмана исследователи изучили, как мембраны хлоропластов реагируют на свет и темноту. Недавно опубликованная в журнале Nature Plants статья показала, что мембраны растений изменяют свою организацию в ответ на освещение. Когда растение переходит из темноты в свет, белки на мембранах хлоропластов сближаются, что уменьшает расстояние для перемещения электронов и увеличивает эффективность фотосинтеза.
Нево и её команда использовали передовые методы, включая крио-сканирующую электронную микроскопию, чтобы исследовать, как белки на мембранах хлоропластов изменяют свою организацию. В ходе экспериментов было обнаружено, что сами белки не меняют свои позиции, как предполагалось ранее. Вместо этого изменения происходят в пространственной организации мембран. Дополнительные эксперименты с трансмиссионным электронным микроскопом подтвердили это открытие: мембраны перестраиваются в пространстве, что улучшает взаимодействие между белками.
Интересно, что эта реорганизация мембран необходима для защиты белков в условиях низкой освещенности. В темноте мембраны хлоропластов разъединяются, чтобы предотвратить излишнюю активность белков и минимизировать повреждения в условиях низкой фотосинтетической активности. Это явление помогает растению эффективно адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.
Чтобы подтвердить свои гипотезы, учёные провели эксперименты с генетически модифицированными растениями, у которых была заблокирована способность изменять организацию мембран хлоропластов. В результате экспериментов стало очевидно, что растения, которые оставались в освещении, росли быстрее и производили больше энергии через фотосинтез, чем те, которые находились в постоянной темноте.
Нево и её коллеги планируют продолжить исследования в этом направлении и изучить возможность применения этих знаний для выращивания растений под искусственным освещением. Один из вариантов — создание генетически модифицированных растений, которые смогут поддерживать высокую фотосинтетическую активность даже при относительно слабом освещении, что позволит экономить энергию и сделать процесс более эффективным, особенно в условиях изменения климата.