Фотосинтез включает сложную цепочку реакций, которые катализирует целый набор ферментов. Их температурный оптимум находится чуть выше 20 градусов Цельсия. При нагревании более 35 градусов растения вынуждены запускать специальные механизмы защиты, а если температура превышает 40, белки начинают денатурировать, теряя форму и функциональность.
Однако амарантовый кустарник Tidestromia oblongifolia, растущий в калифорнийской Долине Смерти — одном из самых жарких мест на Земле, — спокойно живет и фотосинтезирует даже при 50 градусах Цельсия. Механизмы его температурной устойчивости исследовали биологи из Мичиганского университета, статья которых представлена в библиотеке препринтов bioRxiv.
Сун Ли (Seung Rhee) и ее коллеги выращивали T. oblongifolia в лаборатории как при умеренной температуре, так и в условиях, имитирующих страшную жару Долины Смерти. Параллельно они растили родственный, но не настолько жароустойчивый мексиканский амарант A. hypochondriacus. Экстремальных условий тот действительно не выдержал и через несколько дней прекратил рост. А вот калифорнийская T. oblongifolia, несмотря на температуры выше 40 градусов, за десять дней увеличила свою массу втрое. Фотосинтез не останавливался и при 50 градусах, выше которых ученые не смогли подняться из-за ограничений экспериментальной установки.
Далее биологи сравнили физиологию T. oblongifolia при росте в умеренных и экстремальных условиях. Оказалось, на жаре клетки в листьях уменьшаются, так что хлоропласты (органеллы, в которых происходит фотосинтез) группируются плотнее и теснее сближаются с митохондриями (органеллами, которые поставляют им энергию) — все это сокращает «логистику», необходимую для химического оборота веществ, участвующих в фотосинтезе. Кроме того, хлоропласты деформируются и вместо обычной дисковидной формы становятся вогнутыми, как чаша. По-видимому, это позволяет им лучше удерживать летучий углекислый газ, чтобы использовать его в фотосинтезе, производя сахар.
Анализ ДНК указал на тысячи генов, активность которых меняется в зависимости от температуры среды. Сравнив их с данными для других растений, авторы определили целый набор генов, способных помогать T. oblongifolia поддерживать фотосинтез в жару, защищать от теплового стресса и восстанавливать связанные с перегревом повреждения.
Теперь биологи собираются детальнее разобраться в этих генах и выделить самые важные для температурной устойчивости. Они считают, что эта работа крайне важна на фоне продолжающегося глобального потепления. Выяснив механизмы, помогающие T. oblongifolia выдерживать экстремальные условия, их можно будет использовать для создания ГМ-растений, способных давать урожай при самой серьезной жаре.