Уникальное водное растение использует три механизма концентрации CO₂ одновременно

Новое исследование, проведенное Уханьским ботаническим садом Китайской академии наук, выявило уникальную особенность водного растения Ottelia alismoides — оно способно одновременно использовать три различных механизма концентрации CO₂. Это открытие дает новое представление о том, как эти пути, долгое время считавшиеся несовместимыми в одной растительной ткани, могут функционировать параллельно.

Ottelia alismoides. Автор: Фу Вэньлун

Многие растения максимизируют эффективность фотосинтеза через механизмы концентрации CO₂, причем С₄-фотосинтез и CAM-фотосинтез (Crassulacean acid metabolism) представляют два классических биохимических пути. Эти два пути обычно считаются несовместимыми в одной растительной ткани из-за значительных различий во времени фиксации углерода, пространственной организации и транспорте метаболитов.

Однако Ottelia alismoides является исключением. Оно уникально обладает всеми тремя основными механизмами концентрации CO₂: конститутивным С₄-фотосинтезом (NAD-ME подтип), индуцируемым CAM-фотосинтезом и утилизацией бикарбоната (HCO₃⁻). Молекулярные и физиологические механизмы, позволяющие этим трем системам координироваться без интерференции на клеточном уровне, оставались неясными.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа выращивала O. alismoides как при высоких, так и при низких концентрациях CO₂. Они сочетали суточный временной ряд отбора проб с набором передовых методик, включая анализ активности ключевых ферментов, анализ субклеточной локализации, транскриптомику, протеомику и мечение изотопом ¹³C. Этот системный подход позволил им раскрыть механизм кооперативной интеграции С₄-фотосинтеза, CAM-фотосинтеза и утилизации HCO₃⁻ в отдельных клетках растения.

Исследование, опубликованное в New Phytologist, показало, что O. alismoides, в отличие от типичных С₄-растений NAD-ME подтипа — где аспартат служит первым стабильным углеродным соединением — использует малат, образующийся под действием цитозольной малатдегидрогеназы. Критически важно, что растение достигает эффективной координации своих трех механизмов концентрации CO₂ через временную регуляцию ключевых изоформ ферментов, каждая из которых имеет различные паттерны экспрессии.

Согласованная метаболическая модель утилизации HCO₃⁻, С₄ и CAM путей в Ottelia alismoides. Автор: WBG

Ночью фосфорилированная изоформа 3 фосфоенолпируваткарбоксилазы (PEPC) фиксирует углерод. Этот углерод затем преобразуется в малат через катализ изоформой 2 малатдегидрогеназы 1 (MDH1). Полученный малат транспортируется в вакуоли с помощью повышенной активности тонопластного дикарбоксилатного транспортера (TDT), завершая CAM-цикл.

Днем HCO₃⁻ — поставляемый карбоангидразой 1 (αCA1) и белком-переносчиком растворенных веществ (SLC4) — фиксируется фосфорилированной изоформой 2 PEPC. Это инициирует С₄-метаболизм, при этом малат синтезируется под катализом изоформы 1 MDH1. Малат как из CAM- (ночного), так и из С₄- (дневного) путей затем транспортируется в митохондрии через дикарбоксилатный транспортер (DTC). Там он декарбоксилируется NAD-ME, высвобождая CO₂ для питания цикла Кальвина в хлоропластах.

Больше информации: Hong Sheng Jiang et al, A novel single‐cell NAD‐ME C₄ subtype integrated with CAM and bicarbonate use in an aquatic plant, New Phytologist (2025). DOI: 10.1111/nph.70673

Источник: Chinese Academy of Sciences

ИИ: Это фундаментальное открытие меняет представления о возможностях фотосинтетических систем растений. В 2025 году, когда проблемы продовольственной безопасности и изменения климата становятся все более острыми, понимание таких эффективных механизмов фиксации углерода может открыть новые пути для биоинженерии сельскохозяйственных культур с повышенной продуктивностью.