Научная статья на тему 'Эволюционные аспекты С4-фотосинтеза'

Эволюционные аспекты С4-фотосинтеза Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
2766
234
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАСТЕНИЯ / АССИМИЛЯЦИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА / С3-С4-ФОТОСИНТЕЗ / С4-ФОТОСИНТЕЗ / ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ / ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ / PLANTS / ASSIMILATION OF INORGANIC CARBON / C3-C4-PHOTOSYNTHESIS / C4-PHOTOSYNTHESIS / EVOLUTIONARY ASPECTS / PLANT PRODUCTIVITY

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Иванищев Виктор Васильевич

Рассмотрены вопросы, касающиеся многообразия проявлений фотосинтетической ассимиляции углекислого газа у растений и эволюционных аспектов С4-типа фотосинтеза. Показано, что за последние полтора десятилетия получены экспериментальные данные, которые существенным образом меняют наши представления о путях возникновения С4-фотосинтеза и реализации его особенных свойств у ряда типичных С3-растений. Обсуждаются перспективы использования таких знаний для выработки стратегии по улучшению эффективности фотосинтеза С3-растений для повышения их продуктивности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EVOLUTIONARY ASPECTS OF C4-PHOTOSYNTHESIS

The review deals with the variety of manifestations of photosynthetic assimilation of carbon dioxide in plants and the evolutionary aspects of the C4-type photosynthesis. It is shown that over the last decade and a half, experimental data have been obtained that significantly change our understanding of the ways of the onset of C4 photosynthesis and the realization of its specific properties in a number of typical C3 plants. The prospects of application such knowledge for developing a strategy for improving the efficiency of photosynthesis of C3 plants are discussed in order to increase their productivity.

Текст научной работы на тему «Эволюционные аспекты С4-фотосинтеза»

УДК 581.1:577.1

ЭВОЛЮЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ С4-ФОТОСИНТЕЗА

В.В. Иванищев

Рассмотрены вопросы, касающиеся многообразия проявлений фотосинтетической ассимиляции углекислого газа у растений и эволюционных аспектов С4-типа фотосинтеза. Показано, что за последние полтора десятилетия получены экспериментальные данные, которые существенным образом меняют наши представления о путях возникновения С4-фотосинтеза и реализации его особенных свойств у ряда типичных С3-растений. Обсуждаются перспективы использования таких знаний для выработки стратегии по улучшению эффективности фотосинтеза С ¡-растений для повышения их продуктивности.

Ключевые слова: растения, ассимиляция неорганического углерода, С3-С4-фотосинтез, С4-фотосинтез, эволюционные аспекты, продуктивность растений.

Введение

Фотосинтез - главный путь метаболизма, благодаря которому на нашей планете идет преобразование неорганического углерода в органические соединения. Исследование механизмов фотосинтетического процесса привело к формированию представлений о биохимических путях ассимиляции неорганического углерода С3- и С4-типов. После открытия оксигеназной реакции Рубиско ф-рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы-оксигеназы, КФ 4.1.1.39) было принято говорить о фотодыхании, как параллельном процессе [1]. Отдельные специалисты, в т.ч. автор, внесший значительный вклад в представления о биохимии фотодыхания, стали выделять и так называемый С2-фотосинтез [2]. Обнаруженные особенности транспорта (не в митохондрии и пероксисомы этой же клетки) и метаболизма там фосфогликолата (образованного при окислении кислородом D-рибулозо-1,5-бисфосфата), а его перенос и метаболизм в клетках обкладки с последующим «улавливанием» выделяющегося СО2 хлоропластами в этих клетках позволили сформулировать представления о С2-фотосинтезе [2]. В таком случае даже оксигеназная реакция Рубиско рассматривается как поставщик СО2, в результате чего общая эффективность фотосинтеза, хотя бы, не сильно снижается.

Активные исследования растений, чья жизнь приурочена к специфическим экологическим условиям, за последние три десятилетия позволили обнаружить некоторые вариации в проявлении разных путей метаболизма углерода при фотосинтезе. При этом выявлена высокая морфологическая и биохимическая пластичность как С3-, так и С4-растений. Кроме того, было открыто многообразие механизмов, за счет которых растения С3-типа проявляли ряд свойств, характерных для растений С4-типа [3].

В специфических экологических условиях засоления и засухи Центральной Азии были обнаружены растения, обладающие С4-подобным путем фотосинтеза без классической Кранц-анатомии листа [4-6]. Более того, благодаря еще одному открытию стирается резкая грань между двумя основными типами растений по механизму фиксации СО2. Показано, что в клетках, окружающих центральную жилку проводящей системы листьев риса (типичного С3-растения), присутствуют ключевые ферменты, характерные для С4-типа фотосинтеза [7].

Всё это делает необходимым провести обобщение полученных результатов с целью определения дальнейших направлений исследований в данной области науки и возможных путей повышения эффективности фотосинтеза (и продуктивности) классических С3-растений, которые составляют большинство среди важнейших сельскохозяйственных культур.

Анатомо-морфологические особенности и пластичность

С4-фотосинтеза

Растения с С4-типом фотосинтеза обладают, как известно, целым комплексом особенностей. Они обеспечивают растениям ряд важных характеристик практического характера - большую устойчивость к некоторым факторам среды (повышенной температуре, засухе), более экономный расход воды, большую продуктивность при меньшем расходе азота [3], что объясняет экономическую заинтересованность производителей при возделывании подобных сельскохозяйственных культур. Характерные свойства структуры листа, в первую очередь, обеспечивают С4-растениям СО2-концентрирующий механизм, позволяющий предотвращать потери углекислого газа, и тем самым снижать фотодыхание, из-за которого эффективность фотосинтеза у С3-растений может уменьшаться на величину до 40%, особенно в условиях повышенной температуры и засухи [8].

У С3-растений можно наблюдать два физиологически и пространственно разделенных типа клеток, а именно: одна группа более или менее равномерно распределена и образует мезофилл, другая часть клеток сосредоточена вокруг проводящих пучков. Такая картина делает их похожими на С4-растения. Однако биохимически такие клетки одинаковы.

С другой стороны, некоторые растения С3-типа проявляют характеристики С4-растений в отсутствие двух анатомически существенно различных типов клеток в соответствии с классическими представлениями о С4-пути фиксации углекислого газа [3]. Несмотря на это, С4-фотосинтез характеризуется рядом строго специфических функциональных особенностей. Понимание эволюционных преобразований в этом аспекте

базируется на представлениях об изменении характеристик клеток и их генетическом предопределении.

У большинства С4-растений функционирование ФЕП-карбоксилазы и цикла Кальвина пространственно разделено по таким двум типам клеток. Высокая плотность жилок проводящих пучков приводит к тому, что соотношение объемов тканей, образованных клетками мезофилла и обкладки сосудистых пучков, составляет примерно 1:1 [8].

Изучение образования этих типов клеток показывает, что в ходе онтогенеза внутренние слои клеток могут дифференцироваться из клеток прокамбия, а внешние слои - из клеток меристемы. Филогенетический анализ показывает, что С4-растения появились благодаря нескольким разным путям эволюционных изменений. При этом стенки клеток обкладки проводящих пучков могут содержать суберин, который ограничивает диффузию СО2 за пределы таких клеток. В то же время аналогичный слой суберина обнаруживают и у некоторых С3-растений на внешних стенках внутренних слоев обкладки сосудистых пучков. Таким образом, никаких характеристик, которые специфичны только для клеток листьев С4-растений, до сих пор не обнаружено [3].

Другим важным моментом является расстояние между клетками двух типов для обеспечения максимальной скорости обмена метаболитами между ними. Это объясняет то, что количество слоев клетки обкладки ограничивается одним-двумя. В то же время повышение эффективности процесса фотосинтеза достигается, с другой стороны, и небольшим количеством клеток мезофилла между клетками обкладки, число которых может составлять у некоторых видов до четырех. При этом количество клеток между проводящими пучками в целом - невелико. Чтобы уменьшить расстояние между двумя типами клеток, в листьях иногда встречаются бесхлорофилльные клетки [3].

В то же время изучение разнообразных двудольных С4-растений показало, что в сравнении с типичными С3-растениями многие их анатомо-морфологические характеристики оказались сходными. Это касается таких показателей как плотность жилок на 1 мм2 поверхности листа, толщина листа, процент межклеточного пространства. Другие показатели имели более широкие или узкие пределы изменчивости, либо они были сдвинуты в сторону более высоких или низких величин [3, 9].

Третьим важным обстоятельством, характерным для С4-растний, является большой компартмент, обеспечивающий максимально возможное связывание (без потерь) выделяемого СО2 при декарбоксилировании четырехуглеродного соединения. Это объясняет наличие увеличенного количества хлоропластов, присутствующих в клетках обкладки. Превышение объема клеток обкладки над объемом клеток мезофилла достигается несколькими путями, а именно: за счет увеличения числа хлоропластов в клетках обкладки, увеличения числа клеток обкладки, либо

- количества проводящих пучков или изменения диаметра жилок [3]. Описанные показатели являются взаимозависимыми и, отчасти, определяются экологическими условиями, которые обеспечивают, в первую очередь, необходимые параметры водного обмена и сопутствующие показатели, такие как гидравлическое давление, скорость поступления и передвижения воды в растении и т.п. Всё это обусловливает разнообразие анатомического проявления С4-синдрома.

Заключительная особенность С4-растений состоит в том, что хлоропласты клеток обкладки сосудистых пучков и клеток мезофилла различаются не только по числу, но и морфологически, и функционально. В то же время, большое количество хлоропластов в клетках обкладки характерно не только для С4-растений, но и для растений, с так называемым, С2-фотосинтезом, при котором, образуемый при фотодыхании глицин, переносится из клеток мезофилла в клетки обкладки, где, выделяемый при его метаболизме СО2, далее захватывается хлоропластами и используется в цикле Кальвина [2, 10]. Такие особые черты реализации этого типа фотосинтеза рассматриваются исследователями как один из путей, благодаря которому эволюция механизмов фотосинтетической ассимиляции неорганического углерода может быть представлена в виде последовательности: С3^С2^С4 [11-13]. К другим характерным чертам С4-синдрома можно отнести особенности распределения между разными клетками листьев растений таких органелл как митохондрии и пероксисомы, а также особенности ультраструктуры и фотохимических свойств хлоропластов [3].

Описанные выше показатели весьма пластичны. В зависимости от условий среды они могут существенно меняться, благодаря чему растения с С3-путем фотосинтеза могут приобретать черты, характерные для С4-пути. В то же время многообразие возможных анатомо-морфологических изменений различных черт у С4-растений позволяет им поддерживать свои физиолого-биохимические характеристики на необходимом уровне. Однако в целом пластичность С3-растений в этом аспекте оценивается выше, несмотря на то, что экспериментальных данных в этой области явно не хватает [3].

Биохимические особенности проявлений С4-фотосинтеза

у высших растений

Классические общие представления о С4-пути фиксации неорганического углерода включают три основных разновидности использования первого стабильного продукта - четырехуглеродного соединения (малата и/или аспартата) в качестве источника СО2 для D-рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы-оксигеназы (Рубиско) - ключевого фермента цикла Кальвина. Такие формы растений обозначают как НАДФ-

малик-энзимная, НАД-малик-энзимная и ФЕП-карбоксикиназная - по названию ключевого фермента, обеспечивающего декарбоксилирование четырехуглеродного соединения с выделением СО2 [14, 15]. Позднее у трав С4-типа были обнаружены 14 разновидностей анатомо-биохимических комбинаций [9]. Они различались по таким характеристикам, как размеры клеток мезофилла и клеток обкладки сосудистых пучков, общие объемы клеток разного типа, особенности расположения хлоропластов в клетках, наличие числа гран в хлоропластах и т.д. с соответствующими вариациями в распределении по клеткам и величине активности ферментов.

В противоположность этим травам у двудольных известны только два типа растений: НАДФ-малик-энзимного и НАД-малик-энзимного типа, в то время как ФЕП-карбоксикиназа у ряда видов вовлечена во вторичные пути метаболизма углеводов [16]. При этом анатомо-биохимические особенности таких растений также связаны с экологическими особенностями их роста и развития. Так, например, исследование позволило выявить пять разновидностей Кранц-анатомии листа у С4-представителей семейства Chenopodiaceae.

Исследование биохимических характеристик двудольных С4-растений показало, что в целом описанные показатели были сходными с теми, которые характерны для других С4-видов [9]. В качестве особенностей следует еще раз отметить, что ФЕП-карбоксикиназа не вносит существенного вклада в обмен дикарбоновых кислот в отличие от однодольных трав. С другой стороны, остается во многом неясным присутствие сразу двух декарбоксилирующих ферментов у одного вида (НАД-малик-энзима + ФЕП-карбоксикиназы или НАДФ-малик-энзима + ФЕП-карбоксикиназы). Отчасти это можно объяснить, например, необходимостью синтеза ФЕП (для шикиматного пути), экономией АТФ для обеспечения других процессов и т.п. [9].

В итоге, было установлено, что среди растений С4-типа преобладают виды с атрипликоидной (характерной для представителей рода Atriplex) анатомией листа и НАДФ-малик-энзимной биохимией.

Особенности «промежуточных» С3-С4-растений

Исследование разных представителей растительного царства дало возможность говорить о специфической фотосинтетической группе, которую стали обозначать, как С3-С4-растения [14, 15]. Характерными чертами этой группы (С3-С4-интермедиатов) являются уникальные особенности газообмена листьев, которые показывают низкую СО2 компенсационную точку и ее криволинейную зависимость от концентрации кислорода в среде. Это обусловлено особенной компартментализацией (местом протекания) фотодыхания в клетках без изменения фотосинтетического метаболизма углерода. Большинство

представителей интермедиатов обладают фотосинтезом С3-типа, а их основной характеристикой является наличие пониженного фотодыхания

[15].

Анатомическое строение листьев С3-С4-интермедиатов отличает их от типичных С3- и С4-растений. В отличие от С4-растений у интермедиатов клетки мезофилла не концентрируются вокруг клеток обкладки сосудистых пучков и расположены более рыхло в структуре листа. При этом в клетках интермедиатов содержится большое количество органелл, причем многие из них располагаются в клетках обкладки центрипетально (к центру). Число митохондрий и пероксисом здесь - в четыре раза больше, чем в клетках мезофилла, а митохондрии - вдвое крупнее [15]. В то же время количество плазмодесм между клетками обкладки и мезофилла намного больше, чем у С3-растений, и приближается к показателю, характерному для С4-типа. Это обеспечивает быстрый обмен метаболитами между разными клетками листьев растений.

Ключевой фермент, за счет которого происходит выделение СО2 -глицин-декарбоксилаза, в основном, локализован в клетках обкладки. Особенности взаимного расположения различных органелл в клетках позволяют С3-растениям улавливать до 50 % образуемого (в реакциях преобразования глицина) СО2, в то время как у С3-С4-интермедиатов эта величина может достигать 75 % [17].

В результате указанные особенности дают возможность интермедиатам проявлять лучшие характеристики в эффективности фотосинтетической ассимиляции СО2, особенно при повышенной температуре, в использовании воды и др., что успешно описывается с помощью математической модели [18].

Изучение особенностей биохимии показало, что интермедиаты не обладают типичным специфическим распределением ключевых ферментов (ФЕП-карбоксилазы и Рубиско) по разным клеткам, как это имеет место у растений с С4-типом фотосинтеза, показывают неэффективность работы имеющихся компонентов ферментативных систем С4-типа, характеризуются низкой активностью ферментов, связанных с обменом С4-дикарбоновых кислот (ФЕП-карбоксилазы, НАДФ-малат-дегидрогеназы, НАДФ-малик-энзима, пируват-ортофосфат-дикиназы). При этом значительные количества меченого углерода из ассимилируемого 14СО2 оказываются в составе глицина, серина и, особенно, фумарата [15]. В то же время преимущества некоторых С3-С4-растений обусловлены только наличием активного обмена глицина между клетками листьев, о чем говорилось выше. Однако активный обмен углерода должен сопровождаться и активным балансом азота, но картина этого процесса остается неизвестной.

С4-фотосинтез без Кранц-анатомии листа

С4-фотосинтез, обусловленный наличием Кранц-анатомии листа, предполагает, что клеточная стенка между клетками обкладки и мезофилла препятствует потерям СО2, выделяемого при декарбоксилировании С4-метаболита [5, 19]. Однако изучение растительного многообразия, приуроченного к существованию в различных экологических нишах, позволило обнаружить в Центральной Азии растения, в листьях которых многие черты С4-фотосинтеза реализуются в пределах одной клетки без кардинального изменения анатомии листа. При этом известные данные о механизмах концентрирования СО2 у водных растений, а также наличие у некоторых из них С4-фотосинтетического цикла в пределах индивидуальной клетки во многом определяются условиями существования в водной среде.

В отличие от них у наземных растений должна существовать физическая граница (толстая клеточная стенка, мембрана, оболочка), разделяющая клетки, где происходит фотосинтетическая ассимиляция углекислого газа, и клетки, где функционирует цикл Кальвина [5, 19] (рис.).

Упрощенная схема компартментализации С^-фотосинтеза (показаны два типа клеток, между которыми пространственно разделены ассимиляция неорганического углерода и его включение

в продукты цикла Кальвина)

Наземные растения семейства СНвпороШасвав, представленные более чем 1300 видами, часто являются устойчивыми к засухе и засолению, что во многом обеспечивается наличием у них С4-типа фотосинтеза. Среди представителей этого семейства были обнаружены виды, у которых С4-фотосинтез реализуется в пределах одной клетки без

наличия классической Кранц-анатомии листа [4, 6]. Это - Bienertia cycloptera, B. sinuspersici, Suaeda aralocaspica. Они растут в условиях засоления и/или нехватки воды. При этом размеры растений существенно различаются, а именно: если высота B. cycloptera и Suaeda aralocaspica составляет 20 ... 50 см, то растения B. sinuspersici могут достигать 130 ... 160 см.

У этих видов обнаружены два типа топографического распределения органелл внутри клеток. Так, в клетках X aralocaspica различают дистальную и проксимальную части. В дистальной части локализованы агранальные хлоропласты, в которых не синтезируется крахмал, но есть фермент - пируват-ортофосфат-дикиназа для синтеза ФЕП, и здесь (в этой части клетки) осуществляется фиксация СО2 с образованием С4-продукта. В проксимальной части клетки сосредоточены хлоропласты с ферментами цикла Кальвина и малик-энзимом, за счет которого малат преобразуется в пируват с выделением СО2 для его включения в продукты реакций цикла Кальвина с участием Рубиско и других ферментов.

В клетках видов рода Bienertia выделяют центральный компартмент и периферический. В периферической части расположены хлоропласты с малым количеством гран, почти нет митохондрий, но присутствуют ключевые ферменты С4-пути - пируват-ортофосфат-дикиназа и ФЕП-карбоксилаза, обеспечивающие синтез ФЕП и фиксацию углекислого газа, соответственно. В центральной части клетки сосредоточены митохондрии и хлоропласты с развитой гранальной структурой, большим количеством Рубиско и другими ферментами цикла Кальвина [4, 6]. При этом центральный компартмент для избегания потери СО2 окружен вакуолью (вакуолями) [5].

В то же время у описанных видов наблюдается разное соотношение активностей ключевых ферментов, важных для реализации С3- и С4-путей, что отличает их от настоящих С4-видов [5].

Еще одним интересным открытием можно признать обнаружение С4-подобного типа фотосинтеза в стеблях и черешках табака [20], а также в средних жилках листьев арабидопсиса (Arabidopsis ЛаНапа Ь.) [21] -представителей двудольных. Эти особенные черты касаются наличия высокой активности всех ключевых ферментов С4-синдрома, в т.ч. одновременного присутствия высокой активности всех декарбоксилирующих ферментов (НАД- и НАДФ-малик-энзимов, а также ФЕП-карбоксикиназы).

Позднее аналогичное открытие было сделано для представителей однодольных. Так, в клетках, расположенных вокруг центральной жилки проводящего пучка листа типичного С3-растения - риса, была обнаружена подобная повышенная активность указанных выше ферментов [7]. Использование авторами иммуноблот-анализа придает полученным

результатам весомое значение в качестве доказательной базы. Показано, что активность Рубиско в клетках этой части вдвое ниже, чем в других частях листовой пластинки. Активность ФЕП-карбоксилазы увеличена примерно на 30 %. В то же время активность каждого из декарбоксилирующих ферментов (НАД- и НАДФ-малик-энзимов, а также ФЕП-карбоксикиназы) в области средней жилки листа была в шесть и более раз выше. Активность еще одного важнейшего фермента - пируват-ортофосфат-дикиназы - в 7,5 раз превосходила этот показатель для клеток листовой пластинки.

С одной стороны, в ходе обсуждения исследователи интерпретируют такие данные, как один из природных (естественных) путей возможной эволюции и появления С4-фотосинтеза, с другой - такую картину авторы рассматривают как возможность для манипуляций человека по «улучшению» фотосинтеза С3-растений (о чем идут дискуссии с середины 70-х годов прошлого столетия [22]). Это касается, в первую очередь, такой значимой в мировом масштабе сельскохозяйственной культуры, какой является рис.

При этом авторы исследования значительную долю работы посвятили изучению особенностей работы пигментной системы хлоропластов, которая осуществляет энергетическое обеспечение синтеза органических соединений в ходе фотосинтеза [7].

С4-фотосинтез в свете эволюции

Появление растений, обладающих С4-типом фотосинтеза, в ходе эволюции, как полагают многие авторы, происходило несколько десятков раз независимыми путями [3, 8]. Основная масса таких растений на сегодняшний день представлена травами (примерно 4600 видов) и осоками (1600 видов), в то время как у двудольных - растения С4-типа представлены примерно 1600 видами, что позволяет говорить о полифилетическом эволюционном происхождении С4-синдрома [8]. При этом эволюционное появление нового пути фотосинтетической ассимиляции СО2 должно было включать ряд этапов, затрагивающих развитие Кранц-анатомии листа, создание СО2-помпы для концентрирования углекислого газа, локализацию и становление С4-цикла, изменения в экспрессии генов с дальнейшей оптимизацией свойств ферментов [8].

Достаточно ясная и простая теоретическая картина появления С4-фотосинтеза, безусловно, затрагивает и вопросы, касающиеся изменений путей метаболизма других химических элементов и, в первую очередь, азота и серы. Поэтому появление злаковых растений с С4-синдромом могло произойти достаточно давно - примерно 30 млн лет назад, в то время как появление двудольных с таким типом фотосинтеза оценивают в 20 млн лет [8].

Возникновение С4-фотосинтетического пути рассматривали ранее через появление С3-С4-интермедитов как переходных форм. Изучение многообразия особенностей расположения органелл в клетках мезофилла и обкладки сосудистых пучков, а также ряда ферментов показало, что ключевой механизм в появлении С4-синдрома состоит, по-видимому, в перераспределении между разными клетками глицин-декарбоксилазы, активность которой была резко снижена или потеряна в клетках мезофилла. Косвенным доказательством такого пути является то, что активность этого фермента у С4-растений присутствует только в клетках обкладки. В то же время остается не ясным, почему у таких С3-С4-видов при наличии глицинового «шаттла» (переноса) из одного типа клеток в другой с последующим декарбоксилированием предсказываемые теорией преимущества в скорости ассимиляции СО2, эффективности использования воды и азота не проявляются в условиях обычных концентраций углекислого газа [15].

Рассмотрение возможностей анатомических изменений структуры листа показывает, что каждая особенность, характерная для С4-синдрома, у С3-растений может меняться независимо (размеры клеток мезофилла и обкладки, толщина листа, расстояние между жилками проводящих пучков), в то время как для С4-фотосинтеза важна координация подобных изменений. С этой позиции переход к С4-растениям многие исследователи рассматривают через возникновение так называемого С2-фотосинтеза, акцентируя внимание на транспорте глицина и его декарбоксилировании в клетках обкладки [3].

Таким образом, полифилетическое происхождение С4-синдрома стало возможным только благодаря появлению многочисленных характерных черт, что было скоординировано в ходе естественного отбора в меняющихся условиях среды.

Перспективы создания механизмов концентрирования

СО2 у С3-растений

Теоретические изыскания и ряд экспериментальных данных позволили говорить о потенциальной генетической трансформации С3-растений, благодаря которой можно было бы улучшить их (приблизить по фотосинтетическим показателям, устойчивости к факторам среды и продуктивности к С4-растениям) [22, 23]. Позже была экспериментально обоснована возможность работы подобного механизма только при участии оксалоацетат-декарбоксилазы [24, 25].

В настоящее время решение проблемы повышения эффективности фотосинтеза (и как конечный результат - увеличение продуктивности) С3-растений, представляющих основную массу возделываемых сельскохозяйственных культур, рассматривается в виде нескольких путей.

При этом многие из предложенных решений [26] вызывают обоснованные возражения [27].

Отдельный интерес в этом аспекте представляет недавняя работа [3], которая посвящена не только подробному разбору особенностей проявления С4-синдрома для понимания эволюции путей фотосинтеза, но и обоснованию генетического детерминизма эволюции С3-растений в С4-тип. При этом отмечается, что до сих пор генетические механизмы, которые обеспечили появление у растений специфической анатомии листа, характерной для С4-фотосинтеза, остаются неизвестными, и это - главная проблема в попытках биоинженерии по приданию новых характеристик или трансформации большинства важнейших сельскохозяйственных С3-растений в С4-тип.

Особенности генетических механизмов могут состоять в том, что многие черты С4-фотосинтеза реализуются, по-видимому, с помощью многих генов, проявление активности которых имеет малые эффекты, которые только суммарно дают необходимый эффект. При этом пути генетического детерминизма, как показывают данные о различных С3-С4- и С4-растениях, могут быть многообразными, поскольку у представителей отдельных семейств и родов переходные формы Сз^С3-С4^С4 имеют особенные черты и свойства. В этой связи вначале необходимо отследить такие особенности переходов в семействах и родах растений, которые являются таксономически близкими к соответствующим представителям важных сельскохозяйственных культур.

Имеющие место проблемы по трансформации С3-растений в С4-тип описаны в работе Gowik и Westhoff [8]. Авторы отмечают не только необходимость разделения по разным клеткам реакций с участием ФЕП-карбоксилазы и Рубиско, но и затрагивают вопросы о необходимости изменений в экспрессии разных генов. Это связано, например, с тем, что количество Рубиско у С4-растений в несколько раз ниже, чем у С3-растений. При этом механизмы регуляции в клетках каждого типа (мезофилла и обкладки) существенно различаются. Так, у С4-растения Flaveria trinervia в клетках мезофилла присутствует цис-регуляторный элемент, который обозначают как MESOPHYLL EXPRESSION MODULE1. Такой же генетический элемент есть и в генах растений С3-типа этого рода Flaveria, но он не обладает необходимой специфичностью проявления. Небольшая модификация такого элемента достаточна для специфической экспрессии указанного гена [28].

В противоположность изложенному выше специфическая (для клеток обкладки сосудистых пучков) экспрессия одного из генов, кодирующих малую субъединицу Рубиско, FbRbcSl, регулируется в основном на посттранскрипционном уровне. При этом кажется, что стабильность транскриптов этого гена в клетках мезофилла и обкладки различная [29].

Таким образом, трансформация Сз-растений в С4-тип во многом связана с изменением регуляции активности разных генов. При этом ключевую роль играют, по-видимому, GOLDEN2-LIKE транскрипционные факторы GLK1 и GLK2, которые характерны для всех наземных растений [8]. У растения Arabidopsis они контролируют экспрессию более 100 генов, многие из которых связаны с фотосинтетическим процессом, в то время как у кукурузы (С4-растения) наблюдали специфичную для клеток обкладки экспрессию генов этой группы [30]. Такие результаты дали основание авторам [8] сделать заключение о том, что эти белки являются важными для генной регуляции в образовании клеток мезофилла и обкладки сосудистых пучков. Однако дальнейшие шаги могут касаться оптимизации количества и свойств многих ферментов.

Таким образом, эволюция фотосинтеза представляется весьма сложной и многообразной, причем проблемы биоинженерии и управления продуктивностью растений с помощью генетических манипуляций, по-видимому, имеют перспективы решения с учетом накопленных знаний о путях регуляции морфологических и биохимических характеристик, важных для проявления более эффективного С4-пути фотосинтеза.

Список литературы

1. Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 471 с.

2. Tolbert N. E. The C2 oxidative photosynthetic carbon cycle // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. V. 48. P. 1-25.

3. Lundgren M.R., Osborne C.P., Christin P.-A. Deconstructing Kranz anatomy to understand C4 evolution // J. Exp. Bot. 2014. V. 65 (13). P. 33573369.

4. Proof of C4 photosynthesis without Kranz anatomy in Bienertia cycloptera (Chenopodiaceae) / E.V. Voznesenskaya [et al.] // The Plant Journal. 2002. V. 31 (5). P. 649-662.

5. Sage R.F. C4 photosynthesis in terrestrial plants does not require Kranz anatomy // TRENDS in Plant Science. 2002. V. 7 (7). P. 283-285.

6. Wickramage A.T. Single cell C4 photosynthesis. 2008. https://www.slideshare.net/anupathisalwickramage/single-cell-c4photosynthesis.

7. The existence of C-4-bundle-sheath-like photosynthesis in the mid-vein of C-3 rice / W.J. Shen [et al.] // Rice. 2016. V. 9. No 20. DOI: 10.1186/s12284-016-0094-5.

8. Gowik U., Westholl P. The path from C3 to C4 photosynthesis // Plant Physiol. 2011. V. 155. P. 56-63.

9. Muhaidat R., Sage R.F., Dengler N.G. Diversity of Kranz anatomy and biochemistry in C4 eudicots // Amer. J. Bot. 2007. V.94 (3). P. 362-381.

10. C2 photosynthesis generates about 3-fold elevated leaf CO2 levels in the C3—C4 intermediate species Flaveria pubescens / O. Keerberg [et al.] //

Journal of Experimental Botany. 2014. V. 65. No. 13. P. 3649-3656. doi:10.1093/jxb/eru239.

11. Glycine decarboxylase is confined to the bundle-sheath cells of leaves of C3-C4 intermediate species / C.M. Hylton [et al.] // Planta. 1988. V. 175. P. 452-459.

12. Sage R.F., Sage T.L., Kocacinar F. Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis // Annual Review of Plant Biology. 2012. V. 63. P. 19-47.

13. Phenotypic landscape inference reveals multiple evolutionary paths to C4 photosynthesis / B.P. Williams [et al.] // eLife 2. 2013. e00961. doi.org/10.7554/eLife.00961.

14. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3- и С4-растений: механизмы и регуляция. М.: Мир, 1986. 590 с.

15. Monson R.K. CO2 assimilation in C3-C4-intermediate plants // Photosynthesis: Physiology and Metabolism / R.C. Leegood, T.D. Sharkey, S. von Caemmerer (eds). Kluwer Acadimic Publishers. 2000. P. 533-550.

16. Sage R.F. The evolution of C4 photosynthesis // New Phytologist. 2004. V. 161. P. 341-370.

17. Hunt S., Smith A.M., Woolhouse H.W. Evidence for a light-dependent system for reassimilation of photorespiratory which does not include a cycle, in the intermediate species Moricandia arvensis // Planta. 1987. V. 171. P. 227- 234.

18. von Caemmerer S. A model of photosynthetic assimilation and carbon-isotope discrimination in leaves of certain intermediates // Planta. 1989. V. 178. P. 463-474.

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

20. Hibberd J.M., Quick W.P. Characteristics of C4 photosynthesis in stems and petioles of C3 flowering plants // Nature. 2002. V. 415 (6870). P. 451-454. doi:10.1038/415451a.

21. C4 acid decarboxylases required for C4 photosynthesis are active in the mid-vein of the C4 species Arabidopsis thaliana, and are important in sugar and amino acid metabolism / N.J. Brown [et al.] // Plant J. 2010. V. 61(1). P. 122-133. doi:10.1111/j.1365-313X.2009.04040.x.

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

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

24. Абдуллаев А., Горенкова Л.Г., Иванищев В.В. О распределении некоторых ферментов метаболизма С4-кислот в хлоропластах ржи // Физиология растений. 1989. Т. 36. № 4. С. 665-668.

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

26. Meyer V., Griffiths H. Origins and diversity of eucariotic CO2-concentrating mechanisms: lessons for the future // J. Exp. Bot. 2013. V. 64. No 3. P. 769-786.

27. Иванищев В.В. Проблемы фотосинтетической ассимиляции неорганического углерода высшими растениями // Вестник ГОУ ДПО ТО "ИПК И ППРО ТО". Тульское образовательное пространство. 2017. № 3 (в печати).

28. Evolution and function of a cis-regulatory module for mesophyllspecific gene expression in the C4 dicot Flaveria trinervia / M. Akyildiz [et al.] // Plant Cell. 2007. V. 19. P. 3391—3402.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

29. Patel M., Siegel A.J., Berry J.O. Untranslated regions of FbRbcS1 mRNA mediate bundle sheath cell-specific gene expression in leaves of a C4 plant // J. Biol Chem. 2006. V. 281. P. 25485—25491.

30. Waters M.T., Langdale J.A. The making of a chloroplast // EMBO J. 2009. V. 28. P. 2861—2873.

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

EVOLUTIONARY ASPECTS OF C4-PHOTOSYNTHESIS V.V. Ivanishchev

The review deals with the variety of manifestations of photosynthetic assimilation of carbon dioxide in plants and the evolutionary aspects of the C4-type photosynthesis. It is shown that over the last decade and a half, experimental data have been obtained that significantly change our understanding of the ways of the onset of C4 photosynthesis and the realization of its specific properties in a number of typical C3 plants. The prospects of application such knowledge for developing a strategy for improving the efficiency of photosynthesis of C3 plants are discussed in order to increase their productivity.

Key words: plants, assimilation of inorganic carbon, C3-C4-photosynthesis, C4-photosynthesis, evolutionary aspects, plant productivity.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.