Растения имеют контрольные механизмы, которые похожи на человеческие. Согласно новому исследованию, проведенному Вейцманским институтом науки, растения приспосабливают фотосинтез к быстрым изменениям света, используя сложную сенсорную систему, во многом так, как человеческий глаз реагирует на изменения интенсивности света. Это сенсорное регулирование действует при низкой интенсивности света, когда механизм фотосинтеза наиболее эффективен, но также наиболее уязвим для внезапного увеличения освещенности.
Широко распространено мнение, что, поскольку чем больше солнечного света поглощает растение, тем больше энергии оно имеет для роста, фотосинтез будет увеличиваться пропорционально интенсивности солнечного света . Только при достижении уровня, при котором чрезмерное излучение вызывает разрушительный «солнечный ожог», растение включает механизмы восстановления и выключает фотосинтез. Профессор Авихай Данон из Департамента наук о растениях и окружающей среде и его коллеги оценили флуоресценцию растений (свет, излучаемый непродуктивным фотосинтезом, используемый в качестве неинтрузивного посредника для измерения уровней фотосинтеза) при низкой освещенности, и они были удивлены, увидев обратную и четвертый образец.
Данон начал сотрудничество с профессором Ури Алоном из отдела молекулярной клеточной биологии, лаборатория которого изучает биологические сети и цепи, в том числе в организме человека. Команда — Авичай Тендлер (из лаборатории Алона) и доктор. Бат Чен Вольф и Вивекананд Тивари (из лаборатории Данона) — подвергали Arabidopsis thaliana, модельные растения из семейства горчичных, серии постепенных 10-минутных повышений интенсивности света в диапазоне от низких до умеренных, примерно эквивалентно наружному утреннему свету, то есть ниже уровня, вызывающего стресс у растений.
Как сообщается в iScience , ученые увидели, что флуоресценция вместо того, чтобы неуклонно возрастать, когда свет усиливался, на короткое время вздымалась на каждом шаге, а затем снижалась до исходного уровня. Каждый раз его пик был меньше, чем на предыдущем шаге. Это произошло потому, что, как выяснили исследователи, когда свет стал сильнее, в центр фотосинтетической реакции растения попало меньше фотонов, чем можно было бы ожидать от увеличения интенсивности света. Каждый раз исследователям приходилось удваивать интенсивность света, чтобы получить тот же пик флуоресценции, что и на предыдущем этапе — паттерн, типичный для сенсорных механизмов у бактерий, животных и людей.
Эти данные свидетельствуют о том, что в условиях низкой освещенности механизмы контроля фотосинтеза напоминают механизмы, действующие в таких сенсорных системах, как, например, зрение человека. Когда зрачки подстраиваются под яркость света, эти настройки не только защищают сетчатку, но и гарантируют, что мы остаемся чувствительными к окружающей среде, несмотря на изменение условий освещения. Когда зрачки узкие, мы различаем только высокие контрасты в освещении. В условиях низкой освещенности, например, в сумерках, зрачки расширяются, пропуская больше света, что позволяет нам идентифицировать объекты, которые отличаются лишь незначительно по отраженному свету. Точно так же антенны фотосинтеза — собирающие свет комплексы белков и молекул хлорофилла в растении — сжимаются при ярком свете и увеличиваются подусловия освещения . Как и у учеников, когда антенны становятся больше, они собирают свет более эффективно и становятся более чувствительными к небольшим изменениям интенсивности света, но они также становятся более уязвимыми к изменениям, особенно к внезапным изменениям.
«Растения осторожно обрабатывают фотосинтез, жертвуя эффективностью в краткосрочной перспективе ради долгосрочной стабильности», — говорит Данон. «В некотором смысле, механизм фотосинтеза« чувствует »окружающую среду, быстро корректируя количество« убранного » света до того, как ситуация выйдет из-под контроля, вместо того, чтобы наращивать свою активность неконтролируемым образом, пока не будет нанесен ущерб».
Недавно обнаруженные элементы управления включаются быстро, выигрывая время для более медленных механизмов, которые приспосабливают фотосинтез к развивающимся условиям. Эта изысканная стратегия совладания является одним из способов, с помощью которых растения максимально используют солнечный свет в условиях быстро меняющихся внешних условий, например, когда облака приходят и уходят или когда ветер меняет угол листьев к солнцу.
