Как могут хвойные деревья, которые используются, например, в качестве рождественских елок, сохранять свои зеленые иглы в течение бореальной зимы, когда большинство деревьев сбрасывают свои листья? Наука не дала хорошего ответа на этот вопрос, но теперь международная группа ученых, включая исследователей из Университета Умео, расшифровала, что короткий отрезок в фотосинтетическом механизме позволяет иглам сосен оставаться зелеными. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Зимой световая энергия поглощается зелеными молекулами хлорофилла, но не может быть использована последующими реакциями в фотосинтетическом механизме, поскольку температура замерзания останавливает большинство биохимических реакций. Это особенно проблема ранней весной, когда температура еще может быть очень низкой, но солнечный свет уже сильный, и избыток световой энергии может повредить белки фотосинтетического механизма. Исследователи показали, что фотосинтетический аппарат связан особым образом, что позволяет сосновым иглам оставаться зелеными в течение всего года.

В нормальных условиях две фотосистемы, две функциональные единицы, где световая энергия поглощается и преобразуется в химическую энергию, удерживаются отдельно друг от друга, чтобы предотвратить короткое замыкание и обеспечить эффективный фотосинтез. Зимой структура тилакоидной мембраны, где расположены две фотосистемы, реорганизуется, что приводит обе фотосистемы в физический контакт. Исследователи показали, что фотосистема II отдает энергию непосредственно фотосистеме I, и этот короткий режим защищает зеленый хлорофилл и иглы, когда условия становятся суровыми.

"Мы следили за несколькими соснами, растущими в Умео на севере Швеции в течение трех сезонов", - говорит Пушан баг, аспирант Университета Умео, который собирал образцы в течение всего года и делал многие анализы. "Было важно, чтобы мы могли работать с иглами "прямо с улицы", чтобы они не приспосабливались к более высоким температурам в лабораторных условиях, прежде чем мы проанализируем их, например, с помощью электронной микроскопии, которую мы использовали для визуализации структуры тилакоидной мембраны."

Все растения имеют предохранительные клапаны для работы с избыточной световой энергией, которая рассеивается либо в виде тепла, либо в виде флуоресцентного света. Однако только хвойные деревья, по-видимому, обладают такими мощными клапанами, которые могут сохранить фотосинтетический аппарат нетронутым в течение экстремальной бореальной зимы. Исследовательская группа объединила биохимию и сверхбыстрый флуоресцентный анализ, очень сложный метод, который может разрешать флуоресцентный свет хлорофилла в пикосекундном масштабе времени. Таким образом, они могли бы продемонстрировать, как сосновые иглы справляются с избытком световой энергии, чтобы защитить свой чувствительный фотосинтетический аппарат от повреждений.

"Нам нужно было настроить оборудование для изучения сосновых игл при низких температурах, чтобы уловить уникальный механизм", - объясняет Ольга Чухуцина из Амстердамского университета Врие, которая провела большую часть сверхбыстрого флуоресцентного анализа. "Мы также попробовали еловые иголки, но их было трудно хорошо вписать в оборудование."

Альфред Хольцварт, который разработал измерения флуоресценции с временным разрешением, добавляет: "сосновые иглы дали нам возможность изучить этот короткий механизм-также называемый переливом-поскольку они действительно демонстрируют экстремальную адаптацию."

Исследование проводилось с соснами, но исследователи полагают, что механизм, вероятно, аналогичен для других видов хвойных—например, типичных рождественских елок елей и пихт—потому что их фотосинтетический аппарат похож.

"Эта замечательная адаптация не только радует нас во время Рождества, но и на самом деле чрезвычайно важна для человечества", - говорит профессор Стефан Янссон из Университета Умео. "Если бы хвойные деревья не смогли выжить в экстремально суровом зимнем климате, обширные территории в северном полушарии, возможно, не были бы колонизированы, поскольку хвойные деревья обеспечивали дрова, жилье и другие предметы первой необходимости. И сегодня они составляют основу экономики большей части приполярной тайги."

ИСТОЧНИК