Табак с карбоксисомами бактерий в хлоропластах способен к фотосинтезу

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