Табак с карбоксисомами бактерий в хлоропластах способен к фотосинтезу

Международная группа ученых получила растения табака с генами карбоксисом протеобактерий. Карбоксисомы оказались структурно целостными, функционально активными и способными поддерживать фотосинтез при повышенной концентрации CO2. При нормальной концентрации CO2 такой табак не растет из-за низкой скорости поглощения углекислого газа, но важно, что получение этих структур в табаке возможно.

Credit:
123rf.com

С ростом населения планеты, глобальными изменениями климата и нехваткой ресурсов актуальным вопросом остается повышение продуктивности сельскохозяйственных культур. Экологическая пищевая цепь начинается с растений-продуцентов, переводящих за счет фотосинтеза солнечную энергию в энергию органических веществ. Лимитирующей стадией фотосинтеза является фиксации углекислого газа, которую катализирует фермент рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза — рубиско. Эффективность этого фермента не очень велика из-за низкой скорости карбоксилирования и слабой способности различать кислород и углекислый газ. Рубиско может окисляться, что приводит к снижению синтеза глюкозы.

У некоторых организмов, включая С-4 растения, водоросли и аутотрофные бактерии, есть механизм, концентрирующий CO2 вокруг рубиско, что позволяет повысить эффективность фотосинтеза. Однако большинство сельскохозяйственных культур — С-3 растения, которые лишены подобного механизма. Цианобактерии и протеобактерии имеют карбоксисомы (многомерные структуры, содержащие рубиско с карбоновой ангидразой, заключенные в белковую оболочку), значительно повышающие эффективность фиксации CO2. Введение функциональных карбоксисом в клетки культурных растений имеет большой потенциал.

В новом исследовании международная группа ученых разработала вектор, содержащий девять генов α-карбоксисом протеобактерии Halothiobacillus neapolitanus. Авторы ввели этот вектор в хлоропласты виргинского табака (Nicotiana tabacum) с помощью генной пушки, заменив ген большой субъединицы рубиско. Полученные трансгенные растения выращивали в атмосфере с содержанием CO2 1% (среднее содержание CO2 в атмосферном воздухе — около 0,035%). С помощью электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия и вестерн-блоттинга ученые подтвердили экспрессию генов, кодирующих большую и малую субъединицы α-карбоксисомы и белки оболочки.

Чтобы узнать, образовались ли α-карбоксисомы в листьях табака, исследователи обратились к тонкослойной трансмиссионной электронной микроскопии. В отличие от хлоропластов дикого типа, модифицированные хлоропласты имели многочисленные упорядоченные электронно-плотные участки между гранами. Многие из них были полиэдрической формы с прямыми краями, что напоминает структуру α-карбоксисом бактерий.

Для определения структурных и каталитических свойств полученных α-карбоксисом ученые провели вестерн-блоттинг, ТЭМ и масс-спектрометрию. Подтвердилось наличие всех структурных белков. Масс-спектрометрия обнаружила все девять компонентов α-карбоксисом. Константа скорости каталитической реакции и сродство к CO2 были на том же уровне, что у H. neapolitanus.

Чтобы выяснить, как α-карбоксисомы поддерживают фотосинтез, ученые посадили семена трансгенного табака. Трансгенные растения прошли полный жизненный цикл в атмосфере с содержанием CO2 1%, однако при нормальной концентрации CO2 роста не было. В атмосфере с 1% CO2 трансгенные растения росли медленнее, чем дикий табак и табак, экспрессирующий рубиско H. neapolitanus. Анализ газообмена показал, что световая точка компенсации трансгенного табака была около 600 ppm, что намного больше, чем у дикого типа, но примерно одинаково с трансгенным табаком, производящим упрощенные карбоксисомы.

У трансгенного табака было отмечено высокое содержание рубиско, он также экспрессировал все компоненты карбоксисом. Но все равно скорость поглощения CO2 была слишком низкой, чтобы поддерживать его рост в нормальной атмосфере. Каталитическая активность карбоксисом в хлоропластах табака могла поддерживать фотосинтез растения только при содержании CO2 в атмосфере, равном 1%.

Тем не менее, в ходе эксперимента ученые показали, что образование каталитически активных α-карбоксисом в хлоропластах возможно. Исследование является важным этапом на пути создания эффективных фиксирующих CO2 комплексов у С-3 растений.

Искусственный фотосинтез накормит космических путешественников

Источник:

Chen T., et al. Engineering α-carboxysomes into plant chloroplasts to support autotrophic photosynthesis. // Nature Communications 14 (2118). April 25, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-37490-0

Добавить в избранное