Выключение карбоангидразы в хлоропластах не влияет на фотосинтез

Карбоангидраза (CA), катализирующая обратимую гидратацию диоксида углерода, долгое время считалась важным элементом C₃-фотосинтеза, поскольку она поставляет субстрат для ключевого фермента фотосинтеза — рибулозобисфосфаткарбоксилазы (Рубиско). Однако, как показало новое исследование американских ученых, в отсутствие функциональной карбоангидразы в хлоропластах фотосинтез протекает без нарушений. Однако в строме таких хлоропластов повышается pH и уровень активных форм кислорода, а растение развивается с нарушениями.

В строме хлоропластов резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) присутствуют по крайней мере две изоформы карбоангидразы: β-CA1 и β-CA5. У табака (Nicotiana tabacum) β-CA1 связывает салициловую кислоту и участвует в развитии реакции гиперчувствительности — одного из основных путей защиты растений от патогенов. Однако роль карбоангидразы в концентрировании углекислого газа в хлоропластах оставалась спорной.

Авторы работы сначала продемонстрировали, что у табака β-CA1 и β-CA5 локализуются в строме хлоропластов. Для этого они пришивали к обоим белкам жёлтый флуоресцентный белок.

Далее с помощью системы CRISPR/Cas9 произвели нокаут генов, кодирующих β-CA1 и β-CA5, у табака. Они получили три линии мутантных растений: Δβ-ca1, Δβ-ca5 и линию с двойным нокаутом Δβ-ca1ca5. Первые две линии по морфологии не отличаются от растений дикого типа. Растения с двойным нокаутом демонстрируют существенные нарушения развития и имеют бледные, сморщенные листья. Кроме того, листья двойных мутантов отличаются от листьев растений дикого типа по содержанию свободных жирных кислот. У мутантных растений также нарушены процессы созревания и прорастания семян. Наконец, растения линий Δβ-ca1 и Δβ-ca1ca5 неспособны к развитию реакции гиперчувствительности.

Отсутствие карбоангидразы в хлоропластах никак не сказалось на эффективности фотосинтеза мутантных растений. Однако строма хлоропластов у мутантов отличается повышенным значением pH и содержанием активных форм кислорода. Интересно, что и у человека работа карбоангидразы тесно связана с поддержанием нормального pH, так как она влияет на состояние бикарбонатной буферной системы плазмы крови. Авторы исследования не определяли конкретные значения pH в хлоропластах мутантных растений и растений дикого типа, а зафиксировали увеличение pH с помощью pH-чувствительного зеленого флуоресцентного белка pHluorin2.

Авторы работы полагают, карбоангидраза поставляет бикарбонат для реакций биосинтеза, однако она не является ферментом, необходимым для эффективного фотосинтеза. Удаление карбоангидразы — первый шаг в сторону увеличения эффективности фотосинтеза по типу цианобактерий.