Об использовании принципа С02-концентрирующего механизма цианобактерий в С3-растениях

УДК 581.1:577.1

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРИНЦИПА СО2-КОНЦЕНТРИРУЮЩЕГО МЕХАНИЗМА ЦИАНОБАКТЕРИЙ В С3-РАСТЕНИЯХ

В.В. Иванищев

Обсуждается один из путей потенциальной модификации фотосинтетического процесса у С ¡-растений для увеличения их продуктивности. Отмечено, что предлагаемый путь использования СО2-концентрирующего механизма подобного тому, что работает у цианобактерий, не просто весьма сложен, но и не учитывает некоторых фундаментальных моментов, которые могут быть ключевыми в создании новых форм растений. Также отмечено, что жизнеобеспечение таких организмов может потребовать кардинальных изменений в агротехнологиях их возделывания.

Ключевые слова: цианобактерии, С3-растения, механизм концентрирования СО2, улучшение фотосинтеза

Введение

Традиционные пути решения проблемы по повышению продуктивности важнейших сельскохозяйственных культур включают создание новых сортов и модификации набора известных агротехнологических приемов. Используемые трансгенные растения, на которые возлагаются до сих пор большие надежды, не всегда отвечают необходимым требованиям безопасности сельскохозяйственной продукции. По этой причине возрождаются идеи о создании принципиально новых форм растений на основе модификации главного пути ассимиляции углекислого газа - фотосинтеза.

Еще в 70-80-х годах прошлого века идею улучшения фотосинтетической активности растений пытались решить путем отбора форм в условиях солевого стресса, у которых, как предполагалось, мог быть индуцирован путь метаболизма С4-кислот [1-3]. Однако результаты определения активности необходимых ферментов этого пути не дали сколько-нибудь обнадеживающих результатов. Тем не менее, среди ферментов, участвующих в метаболизме С4-кислот в хлоропластах растений, была обнаружена, выделена и охарактеризована оксалоацетат-декарбоксилаза [4-7].

Математическое моделирование процесса ассимиляции СО2 позволило сделать вывод о том, что для «индукции С4-метаболизма у С3-растений» важным моментом является наличие особых свойств клеточной стенки, которые препятствовали бы потерям неорганического углерода [8].

Открытие иного механизма концентрирования у цианобактерий, обусловленного наличием как водной преграды для потерь углекислого газа, так и особых образований - карбоксисом, где происходит выделение СО2 вокруг молекул Рубиско (Б-рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы-

оксигеназы), позволяет более четко выстраивать потенциальные пути для «улучшения» фотосинтетической продуктивности важнейших сельскохозяйственных культур, большинство из которых является С3-растениями [9, 10]. Однако имеющиеся экспериментальные данные и результаты математического моделирования нуждаются во всестороннем обсуждении и оценке реалий в воплощении предлагаемого пути модификации фотосинтетического процесса, что и является предметом данной работы.

Компоненты концентрирующего СО2 механизма цианобактерий

Важнейшей характеристикой механизма концентрирования СО2 цианобактерий является увеличение содержания углекислого газа, которое может достигать величины до 1000 раз более высокой в сравнении с С3-растениями, что, в свою очередь, обеспечивает значительное снижение фотодыхательного процесса [9]. На вопрос о том, почему такой механизм не появился (не остался в ходе эволюции) у наземных растений, авторы отмечают важную роль воды, как препятствия для потерь углекислого газа у этих бактерий, поскольку коэффициент диффузии СО2 в воде в 10 тысяч раз ниже, чем в воздушной среде. При этом в условиях реальной водной системы углекислый газ, скорее, находится в форме бикарбонат-иона.

Другой вопрос, который ставят авторы [9], почему в ходе появления и эволюции многоклеточных растений включенные (в симбиоз) фотосинтезирующие бактерии не сохранили эти свойства, вряд ли корректен. Прежде всего, потому, что мы не знаем, какие формы фотосинтезирующих бактерий (с таким механизмом или без него) были включены как симбиотические компоненты в ходе появления и дальнейшей эволюции наземных растений. Надклеточная теория организации растительных объектов, несмотря на ряд имеющихся неоспоримых доказательств [11], все же не позволяет говорить о том, какие формы бактерий могли принять участие в образовании такой сложной системы, как наземные растения. Более того, высокоспециализированные формы жизни, такие как цианобактерии в нынешнем виде, вряд ли могли стать частью такой системы, поскольку они полностью автономны в решении других проблем метаболизма. И симбиоз мог возникнуть только между примитивными бактериальными организмами, которые нуждались, в первую очередь, в метаболическом взаимодействии с другими аналогичными формами жизни для выживания в новых условиях среды.

По современным представлениям карбоксисомы являются белковыми структурами с диаметром от 90 до 200 нм [9]. Структурные особенности характеризуются икосаэдрической формой таких частиц, образованных 20 равносторонними треугольниками. Оболочка карбоксисом образована 6-8 разными белками. При этом основная масса

белка в этих частицах представлена молекулами Рубиско. Число таких частиц может составлять от 5 до 15 на одну клетку. Функциональные характеристики модели карбоксисомы обеспечиваются аккумуляцией бикарбонат-иона (который хуже, чем СО2 проникает через мембраны), полным отсутствием в цитозоле карбоангидразы (которая могла бы повлиять на равновесие СО2 - бикарбонат-ион), наличием белковой оболочки, препятствующей потерям углекислого газа, и наличием помпы, благодаря которой образуемый СО2 вновь превращается в бикарбонат-ион [12, 13]. Ключевая роль во всех этих свойствах приписывается карбоангидразе, которая превращает СО2 в растворимую форму, что было доказано в экспериментах, где экспрессия карбоангидразы человека в цитоплазме модельной формы цианобактерии приводила к увеличению диффузии СО2 за пределы клетки [9]. Более того, наличие существенных количеств карбоангидразы в хлоропластах С3-растений также приводит к выбросу СО2 за пределы клетки [14].

Еще одной особенностью цианобактерий является пять различных транспортных систем, которые обеспечивают поглощение бикарбонат-иона [9]. Среди них имеются переносчики с высоким и низким сродствами к субстрату, с участием ионов натрия и НАДФН-дегидрогеназного комплекса.

Анализ таких данных наталкивает на мысль о наличии разных буферных систем в организмах, благодаря которым поддерживается требуемая величина рН (в любом компартменте клетки) для той или иной ферментативной реакции. В живых системах работают только две основные буферные системы - бикарбонатная и фосфатная [15]. В отношении бактерий и высших растений этот вопрос еще не изучался в достаточной степени, поэтому вполне резонно предположить, что у высших форм жизни (в т.ч. высших растений) предпочтительно работает фосфатная система. Косвенным свидетельством этому предположению могут служить хорошо известные данные о том, что реакции фосфорилирования играют определяющую роль в абсолютном большинстве регуляторных процессов [15], чья сложность в ходе эволюции только возрастает [16, 17].

Моделирование добавления бикарбонатной помпы в хлоропласты

С3-растений

Рассмотрение отдельных шагов и их важности для создания механизма концентрирования СО2 в С3-растениях приводят авторов [9] к постулированию о необходимости введения в хлоропласты одной из форм карбоангидразы для создания бикарбонатной помпы. Однако, как замечают сами авторы, эффект от этого шага будет зависеть от кинетических свойств транспортёров и проводимости для диффузии СО2

через оболочку хлоропласта. В то же время энергетическая стоимость такого шага для растения будет наименьшей. Авторы также отмечают, что наличие помпы скажется на работе устьиц, степень открытости которых должна быть снижена, что, в свою очередь, уменьшит водопотребление растениями.

Оценка поведения модели фотосинтетической ассимиляции СО2 в новых условиях показывает, что с увеличением поглощения углекислого газа межклеточное парциальное давление СО2 будет снижаться, а это увеличит градиент концентраций СО2 между окружающей средой и внутренними компонентами листа и клетки.

С нашей точки зрения, такая теоретически положительная динамика, однако, должна также опираться и на другие известные факты о фотосинтетическом процессе. Так, увеличение потока СО2 в цикле Кальвина неизбежно должно привести к снижению количества Рубиско, что многократно подтверждено экспериментально. В то же время, высокие скорости синтеза углеводов должны сопровождаться и повышенной скоростью оттока ассимилятов, чтобы не нарушался sink-source баланс метаболитов в листьях растений [18].

Тем не менее, авторы [9] также отмечают значительные технические сложности по введению множества генов, обеспечивающих работу в хлоропластах концентрирующего механизма по типу цианобактериального.

Важной частью работы в этом направлении является удаление карбоангидразы из цитоплазмы. Такая возможность была показана экспериментально на листьях табака, где активность фермента была снижена на 99% с использованием специфических РНК [19]. Однако, авторы не упоминают, каким образом этот эффект сказался на характеристиках продуктивности растений. При этом важным шагом, как считают указанные авторы, должно быть снижение проводимости оболочки хлоропласта для диффузии СО2. Отчасти, по их мнению, это можно осуществить за счет снижения количества аквапоринов, которые, по-видимому, играют важную роль в проводимости СО2, что может быть достигнуто с помощью технологии РНК-интерференции [9].

Еще одна возможность, рассматриваемая в работе [9], касается инженерии структуры карбосисом с использованием принципов построения капсидов вирусов. При этом потенциальная модель концентрирующего механизма, построенного по типу как у цианобактерий, может в большей мере способствовать улучшению фотосинтетических показателей растений, чем введение только транспортеров для ионов бикарбоната.

Использование иных механизмов концентрирования СО2

Ранее были подробно освещены особенности работы С4-метаболизма и возможности использования принципов его работы в С3-растениях [20]. При этом было отмечено, что модификация последних в этом свете должна включать не только появление или увеличение активности известных «ключевых» ферментов, но и количественного содержания хлоропластов и митохондрий в клетке, а также их особое взаимное расположение в цитоплазме. Указанные позиции обеспечивают и более интенсивный транспортный поток метаболитов, что является очень важным компонентом такой системы.

Обнаружение работы С4-подобного пути в пределах одной клетки С3-растений не только показывает возможности его функционирования в отсутствие Кранц-анатомии листа, но и, вроде, показывает наиболее простой путь модификации фотосинтетического процесса [20, 21]. Однако при ближайшем рассмотрении можно обнаружить, что, во-первых, в клетках листьев таких растений важная роль принадлежит такому компартменту клетки как вакуоль, представленной несколькими такими образованиями, а не одиночной структурой. Другой момент, на который также следует обратить внимание, это - почвенно-климатические условия, в которых растут такие растения (высокая температура, засушливый климат, высокое засоление). Насколько изменится морфология и биохимия у таких растений, если их попытаться выращивать в более щадящих условиях - неизвестно.

Все это ставит дополнительные вопросы при выборе путей, по которым можно идти с целью модификации пути фотосинтетической ассимиляции углерода у С3-растений.

Заключение

Предлагаемые варианты модификации С3-растений с целью существенного улучшения их фотосинтетических показателей и продуктивности кажутся вполне реальными, несмотря на значительную сложность. Однако при этом не следует забывать о том, что создание любых новых форм организмов неизбежно должно сопровождаться введение новых технологий по их возделыванию, поскольку в реальных условиях среды могут выживать только те организмы, которые прошли долгий путь эволюции и приспособлений. При этом селекционные формы, созданные человеком, также меняются, причем достаточно быстро - в течение всего нескольких десятилетий [22].

Список литературы

1. Насыров Ю.С. Генетика фотосинтеза и селекция. М.: Знание, 1982. 64 с.

2. Иванищев В.В. Продукционный процесс у растений и его регуляция. Тула: Изд-во ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2011. 114 с.

3. Магомедов И.М. К вопросу об истории открытия С4-фотосинтеза. Современное состояние проблемы // Успехи современного естествознания. 2015. № 1 (часть 6). С. 962-965.

4. Иванищев В. В. Выделение и некоторые свойства высокоочищенной оксалоацетатдекарбоксилазы из хлоропластов подсолнечника // Физиология растений. 1992. Т. 39. С. 760-768.

5. Иванищев В.В., Курганов Б.И. Выделение и кинетические свойства NAD-зависимой малатдегидрогеназы из хлоропластов листьев хлопчатника // Биохимия. 1993. Т. 58. С. 606-612.

6. Иванищев В.В., Курганов Б.И. Исследование свойств оксалоацетатдекарбоксилазы из хлоропластов листьев подсолнечника // Биохимия. 1993. Т. 58. С. 250-254.

7. Иванищев В.В. Биологическое значение метаболизма оксалоацетата в хлоропластах С3- растений // Физиология растений. 1997. Т. 44. № 3. С. 462-470.

8. Иванищев В.В. Об определении эффективности карбоксилирования у растений, обладающих механизмом концентрирования СО2 // Физиология растений. 1992. Т. 39. № 3. С. 437444.

9. Price G.D., Badger M.R., von Caemmerer S. The prospect of using cyanobacterial bicarbonate transporters to improve leaf photosynthesis in C3 crop plants // Plant Physiol. 2011. Vol. 155. P. 20-26.

10. The cyanobacterial CCM as a source of genes for improving photosynthetic CO2 fixation in crop species / Price G.D., Pengelly J.J.L., Forster B., Du J., Whitney S.M., von Caemmerer S., Badger M.R., Howitt S.M., Evans J.R. // J. Exp. Bot. 2013. Vol. 64. P. 753-768.

11. Гамалей Ю.В. Надклеточная организация растений // Физиология растений. 1997. Т. 44. С. 819-846.

12. Maeda S., Badger M.R., Price G.D. Novel gene products associated with NdhD3/D4-containing NDH-1 complexes are involved in photosynthetic CO2 hydration in the cyanobacterium, Synechococcus sp. PCC7942 // Mol. Microbiol. 2002. Vol. 43. P. 425-435.

13. Advances in understanding the cyanobacterial CO2-concentrating-mechanism (CCM): functional components, Ci transporters, diversity, genetic regulation and prospects for engineering into plants / Price G.D., Badger M.R., Woodger F.J., Long B.M. // J. Exp. Bot. 2008. Vol. 59. P. 1441-1461.

14. Badger M.R., Price G.D. The role of carbonic anhydrase in photosynthesis // Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 1994. Vol. 45. P. 369392.

15. Биохимия : учебник / под ред. Е.С. Северина. 5 изд. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015. 768 с.

16. Марков А. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: Неожиданные открытия и новые вопросы. М.: АСТ;СОКРи8. 2014. 527 с.

17. Марков А., Наймарк Е. Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий. М.: АСТ:СОКРШ. 2014. 656 с.

18. Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты (под ред. И.П. Ермакова). М.: Академия , 2006. 445 с.

19. Specific reduction of chloroplast carbonic anhydrase activity by antisense RNA in transgenic tobacco plants has a minor effect on photosynthetic CO2 assimilation / G.D. Price, S. von Caemmerer, J.R. Evans [at al.] // Planta. 1994. Vol. 193. P. 331-340.

20. Иванищев В.В. Эволюционные аспекты С4-фотосинтеза // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2017. Вып. 3. С. 64-77.

21. Proof of С4 photosynthesis without Kranz anatomy in Bienertia cycloptera (Chenopodiaceae) / E.V. Voznesenskaya, V.R. Franceschi, O.Kiirats [at al.] // The Plant Journal. 2002. Vol. 31. P. 649-662.

22. Созинов А. А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. 272с.

Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, старший научный сотрудник, зав. кафедрой, avdey_VV@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

ON THE APPLICATION OF THE PRINCIPLE FOR THE CO2-CONCENTRATING MECHANISM OF CYANOBACTERIUMIN C3-PLANTS

V.V. Ivanishchev

In this paper, one of the ways of potential modification of the photosynthetic process in C3-plants is discussed to increase their productivity. It is noted that the proposed way of application a CO2 concentrating mechanism similar to that of cyanobacteria is not only very complex, but also does not take into account some of the fundamental aspects that can be key to the creating of new plant forms. It was also noted that the life-support of such organisms may require dramatic changes in the agrotechnology for their cultivation.

Key words: cyanobacteria, C3-plants, mechanism of CO2 concentrating, improvement of photosynthesis

Ivanishchev Viktor Vasiljevich, Doctor of Biology, Senior Researcher, Head of the Department, avdey_VV@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University