Фиксация углерода C 4 или путь Хэтча-Слэка является одним из трех известных фотосинтетических процессов фиксации углерода в растениях. Своим названием он обязан открытию, сделанному в 1960-х годах Маршаллом Дэвидсоном Хэтчем и Чарльзом Роджером Слэком . [1]
Фиксация C 4 является дополнением к древней и более распространенной фиксации углерода C 3 . Основной карбоксилирующий фермент фотосинтеза C 3 называется RuBisCO , который катализирует две различные реакции, используя в качестве субстрата либо CO 2 (карбоксилирование), либо кислород (оксигенирование). Окисление RuBisCO приводит к образованию фосфогликолата , который токсичен и требует затрат энергии для переработки посредством фотодыхания . Фотосинтез C 4 снижает фотодыхание за счет концентрации CO 2 вокруг RuBisCO.
Чтобы RuBisCO мог работать в среде, где много углекислого газа и очень мало кислорода, листья C 4 обычно содержат два частично изолированных отсека, называемых клетками мезофилла и клетками оболочки пучка . CO 2 первоначально фиксируется в клетках мезофилла в результате реакции, катализируемой ферментом PEP-карбоксилазой , в которой трехуглеродный фосфоенолпируват (PEP) реагирует с CO 2 с образованием четырехуглеродной щавелевоуксусной кислоты (ОАА). Затем ОАА может быть восстановлена до малата или трансаминирована до аспартата . Эти интермедиаты диффундируют в клетки оболочки пучка, где декарбоксилируются, создавая вокруг RuBisCO богатую CO 2 среду и тем самым подавляя фотодыхание. Образующийся пируват (PYR) вместе с примерно половиной фосфоглицерата (PGA), вырабатываемого RuBisCO, диффундирует обратно в мезофилл. Затем PGA химически восстанавливается и диффундирует обратно в оболочку пучка, завершая восстановительный пентозофосфатный цикл (RPP). Этот обмен метаболитами необходим для работы фотосинтеза C 4 .
Дополнительные биохимические этапы требуют большего количества энергии в виде АТФ для регенерации PEP, но концентрация CO 2 обеспечивает высокую скорость фотосинтеза при более высоких температурах. Более высокая концентрация CO 2 преодолевает снижение растворимости газа с температурой ( закон Генри ). Механизм концентрации CO 2 также поддерживает высокие градиенты концентрации CO 2 в устьичных порах. Это означает, что растения C 4 обычно имеют более низкую устьичную проводимость , меньшие потери воды и, как правило, более высокую эффективность использования воды . [2] Растения C 4 также более эффективно используют азот, поскольку производство PEP-карбоксилазы дешевле, чем RuBisCO. [3] Однако, поскольку путь C 3 не требует дополнительной энергии для регенерации PEP, он более эффективен в условиях, когда фотодыхание ограничено, обычно при низких температурах и в тени. [4]
Первые эксперименты, показывающие, что некоторые растения не используют фиксацию углерода C 3 , а вместо этого производят малат и аспартат на первом этапе фиксации углерода, были проведены в 1950-х и начале 1960-х годов Хьюго Питером Корчаком и Юрием Карпиловым. [5] [6] Путь C 4 был объяснен Маршаллом Дэвидсоном Хэтчем и Чарльзом Роджером Слэком в Австралии в 1966 году. [1] Хотя Хэтч и Слэк первоначально называли этот путь «путем дикарбоновой кислоты C 4 », он иногда называют путем Хэтча-Слэка. [6]
Растения C 4 часто обладают характерной анатомией листьев , называемой анатомией кранца , от немецкого слова « венок» . Их сосудистые пучки окружены двумя кольцами клеток; внутреннее кольцо, называемое клетками оболочки пучка , содержит богатые крахмалом хлоропласты , лишенные гран , которые отличаются от таковых в клетках мезофилла , присутствующих в качестве внешнего кольца. Поэтому хлоропласты называются диморфными. Основная функция анатомии Кранца — обеспечить место, в котором CO 2 может концентрироваться вокруг RuBisCO, избегая тем самым фотодыхания . Мезофилл и клетки оболочки пучка соединены многочисленными цитоплазматическими рукавами, называемыми плазмодесмами , проницаемость которых на уровне листа называется проводимостью оболочки пучка. Слой суберина [7] часто откладывается на уровне средней ламели (тангенциальной границы между мезофиллом и оболочкой пучка), чтобы уменьшить апопластическую диффузию CO 2 (так называемую утечку). Механизм концентрации углерода в растениях C 4 отличает их изотопную подпись от других фотосинтезирующих организмов.
Хотя большинство растений C 4 имеют анатомию Кранца, однако есть несколько видов, которые функционируют в ограниченном цикле C 4 без какой-либо четкой ткани оболочки пучка. Suaeda aralocaspica , Bienertia cycloptera , Bienertia sinuspersici и Bienertia kavirense (все мареноногие ) — наземные растения, населяющие сухие соленые впадины в пустынях Ближнего Востока . Было показано, что эти растения используют одноклеточные механизмы концентрации C 4 CO 2 , которые являются уникальными среди известных механизмов C 4 . [8] [9] [10] [11] Хотя цитология обоих родов немного различается, основной принцип заключается в том, что заполненные жидкостью вакуоли используются для разделения клетки на две отдельные области. Ферменты карбоксилирования в цитозоле отделены от ферментов декарбоксилазы и RuBisCO в хлоропластах. Между хлоропластами (содержащими RuBisCO) и цитозолем существует диффузионный барьер. Это позволяет установить в одной клетке область типа пучка-оболочки и область типа мезофилла. Хотя это и позволяет работать ограниченному циклу C 4 , это относительно неэффективно. Происходит значительная утечка CO 2 вокруг RuBisCO.
Имеются также доказательства индуцируемого фотосинтеза C 4 некранцовыми водными макрофитами Hydrilla verticillata в теплых условиях, хотя механизм, с помощью которого утечка CO 2 из окружающей среды RuBisCO минимизируется, в настоящее время неясен. [12]
У С 3 растений первым этапом светонезависимых реакций фотосинтеза является фиксация CO 2 ферментом RuBisCO с образованием 3-фосфоглицерата . Однако РуБисКо обладает двойной карбоксилазной и оксигеназной активностью. Оксигенация приводит к тому, что часть субстрата окисляется, а не карбоксилируется , что приводит к потере субстрата и потреблению энергии, что известно как фотодыхание . Оксигенация и карбоксилирование являются конкурентными , то есть скорость реакций зависит от относительной концентрации кислорода и CO 2 .
Чтобы снизить скорость фотодыхания , С 4 растения увеличивают концентрацию CO 2 вокруг RuBisCO. Для этого в листьях дифференцируются два частично изолированных отсека: мезофилл и оболочка пучка . Вместо прямой фиксации RuBisCO CO 2 первоначально включается в четырехуглеродную органическую кислоту ( малат или аспартат ) в мезофилле. Органические кислоты затем диффундируют через плазмодесмы в клетки оболочки пучка. Там они декарбоксилируются, создавая среду, богатую CO2 . Хлоропласты клеток оболочки пучка преобразуют этот CO 2 в углеводы по обычному пути C 3 .
Существует большая вариабельность биохимических особенностей ассимиляции C4, и ее обычно группируют в три подтипа, различающихся по основному ферменту, используемому для декарбоксилирования ( НАДФ-яблочный фермент , НАДФ-МЭ; НАД-яблочный фермент , НАД-МЭ; и ПЭП) . карбоксикиназа , PEPCK). Поскольку PEPCK часто рекрутируется поверх НАДФ-МЭ или НАД-МЭ, было предложено классифицировать биохимическую изменчивость на два подтипа. Например, в кукурузе и сахарном тростнике используется комбинация НАДФ-МЭ и ПЭПКК, в просо предпочтительно используется НАД-МЕ, а в Megathyrsus maximus преимущественно используется ПЭПКК.
Первым этапом пути НАДФ-МЭ типа C 4 является превращение пирувата (Pyr) в фосфоенолпируват (PEP) с помощью фермента пируватфосфатдикиназы (PPDK). Эта реакция требует неорганического фосфата и АТФ плюс пируват, образуя PEP, AMP и неорганический пирофосфат (PP i ). Следующим шагом является карбоксилирование PEP ферментом PEP-карбоксилазой (PEPC) с образованием оксалоацетата . Оба этих этапа происходят в клетках мезофилла:
PEPC имеет низкий K M для HCO.−
3- и, следовательно, высокое сродство, и не смешивается с O 2 , поэтому он будет работать даже при низких концентрациях CO 2 .
Продукт обычно превращается в малат (М), который диффундирует в клетки оболочки пучка, окружающие близлежащую вену . Здесь он декарбоксилируется НАДФ-малеиновым ферментом (НАДФ-МЭ) с образованием CO 2 и пирувата . CO 2 фиксируется RuBisCo с образованием фосфоглицерата (PGA), в то время как пируват транспортируется обратно в клетку мезофилла вместе с примерно половиной фосфоглицерата (PGA). Этот PGA химически восстанавливается в мезофилле и диффундирует обратно в оболочку пучка, где вступает в фазу конверсии цикла Кальвина . На каждую молекулу CO 2 , экспортируемую в оболочку пучка, малатный челнок переносит два электрона и, следовательно, снижает потребность в восстанавливающей мощности в оболочке пучка.
Здесь OAA, продуцируемая PEPC, трансаминируется аспартатаминотрансферазой в аспартат (ASP), который является метаболитом, диффундирующим в оболочку пучка. В оболочке пучка ASP снова трансаминируется до OAA, а затем подвергается бесполезному восстановлению и окислительному декарбоксилированию с высвобождением CO 2 . Образующийся пируват трансаминируется в аланин, диффундируя к мезофиллу. В конце концов аланин трансаминируется до пирувата (PYR), который может быть регенерирован в PEP с помощью PPDK в хлоропластах мезофилла. Этот цикл обходит реакцию малатдегидрогеназы в мезофилле и поэтому не передает восстанавливающие эквиваленты в оболочку пучка.
В этом варианте OAA, продуцируемая аспартатаминотрансферазой в оболочке пучка, декарбоксилируется до PEP с помощью PEPCK. Судьба PEP до сих пор обсуждается. Самое простое объяснение состоит в том, что PEP диффундирует обратно в мезофилл и служит субстратом для PEPC. Поскольку PEPCK использует только одну молекулу АТФ, регенерация PEP посредством PEPCK теоретически увеличит эффективность фотосинтеза этого подтипа, однако это никогда не измерялось. Увеличение относительной экспрессии PEPCK наблюдалось при слабом освещении, и было предложено играть роль в содействии балансированию энергетических потребностей между мезофиллом и оболочкой пучка.
В то время как при фотосинтезе С 3 каждый хлоропласт способен осуществлять световые реакции и темновые реакции , хлоропласты С 4 дифференцируются в две популяции, содержащиеся в клетках мезофилла и оболочки пучка. Разделение фотосинтетической работы между двумя типами хлоропластов неизбежно приводит к обильному обмену промежуточными продуктами между ними. Потоки велики и могут в десять раз превышать скорость валовой ассимиляции. [13] Тип обмениваемого метаболита и общая скорость будут зависеть от подтипа. Чтобы уменьшить ингибирование продуктов фотосинтетических ферментов (например, PECP), градиенты концентрации должны быть как можно более низкими. Это требует увеличения проводимости метаболитов между мезофиллом и оболочкой пучка, но это также увеличит обратную диффузию CO 2 из оболочки пучка, что приведет к неизбежному компромиссу при оптимизации механизма концентрации CO 2 .
Чтобы удовлетворить потребности НАДФН и АТФ в мезофилле и оболочке пучка, свет необходимо собирать и распределять между двумя отдельными цепями переноса электронов. АТФ может вырабатываться в оболочке пучка в основном за счет циклического потока электронов вокруг Фотосистемы I или в М в основном за счет линейного потока электронов в зависимости от света, доступного в оболочке пучка или в мезофилле. Относительная потребность в АТФ и НАДФН в каждом типе клеток будет зависеть от подтипа фотосинтеза. [13] Распределение энергии возбуждения между двумя типами клеток будет влиять на доступность АТФ и НАДФН в мезофилле и оболочке пучка. Например, зеленый свет не сильно адсорбируется клетками мезофилла и может преимущественно возбуждать клетки оболочки пучка, или наоборот , синий свет. [14] Поскольку оболочки пучков окружены мезофиллом, сбор света в мезофилле уменьшит количество света, доступного для достижения клеток BS. Кроме того, размер оболочки пучка ограничивает количество света, которое можно собрать. [15]
Возможны различные формулировки эффективности в зависимости от того, какие результаты и затраты рассматриваются. Например, средняя квантовая эффективность — это соотношение между валовой ассимиляцией и интенсивностью поглощенного или падающего света. В литературе сообщается о большой вариабельности измеренной квантовой эффективности между растениями, выращенными в разных условиях и отнесенными к разным подтипам, но ее основы до сих пор неясны. Одной из составляющих квантовой эффективности является эффективность темновых реакций, биохимическая эффективность, которая обычно выражается в обратных величинах как стоимость валовой ассимиляции АТФ (АТФ/ГА).
В фотосинтезе С 3 АТФ/ГК зависит главным образом от концентрации СО 2 и О 2 в центрах карбоксилирования РуБисСО. При высокой концентрации CO 2 и низкой концентрации O 2 фотодыхание подавляется, а ассимиляция C 3 происходит быстро и эффективно, при этом АТФ/ГК приближается к теоретическому минимуму, равному 3.
При фотосинтезе C 4 концентрация CO 2 в карбоксилирующих центрах RuBisCO в основном является результатом работы механизмов концентрации CO 2 , которые требуют дополнительных затрат 2 АТФ/ГК, но делают эффективность относительно нечувствительной к внешней концентрации CO 2 в широком диапазоне условия.
Биохимическая эффективность зависит главным образом от скорости доставки CO 2 в оболочку пучка и обычно снижается при слабом освещении, когда скорость карбоксилирования PEP снижается, снижая соотношение концентрации CO 2 /O 2 в центрах карбоксилирования RuBisCO. Ключевым параметром, определяющим, насколько снизится эффективность при слабом освещении, является проводимость оболочки пучка. Растения с более высокой проводимостью оболочки пучка будут способствовать обмену метаболитами между мезофиллом и оболочкой пучка и будут способны к высокой скорости ассимиляции при ярком освещении. Однако у них также будет высокая скорость ретродиффузии CO 2 из оболочки пучка (так называемая утечка), что увеличит фотодыхание и снизит биохимическую эффективность при тусклом свете. Это представляет собой неотъемлемый и неизбежный компромисс в процессе фотосинтеза C 4 . Растения C 4 обладают выдающейся способностью настраивать проводимость оболочки пучка. Интересно, что проводимость оболочки пучка снижается у растений, выращенных при слабом освещении [16], а у растений, выращенных при ярком освещении, впоследствии переводится на слабый свет, как это происходит в кронах сельскохозяйственных культур, где старые листья затенены новым ростом. [17]
Растения C 4 имеют конкурентное преимущество перед растениями, обладающими более распространенным путем фиксации углерода C 3 в условиях засухи , высоких температур и ограничения азота или CO 2 . При выращивании в той же среде, при 30 °C, травы C 3 теряют примерно 833 молекулы воды на одну фиксированную молекулу CO 2 , тогда как травы C 4 теряют только 277. Такая повышенная эффективность использования воды травами C 4 означает, что влажность почвы снижается. сохраняется, что позволяет им дольше расти в засушливых условиях. [18]
Фиксация углерода C 4 развивалась в 61 независимом процессе в 19 различных семействах растений, что делает ее ярким примером конвергентной эволюции . [19] Этой конвергенции, возможно, способствовал тот факт, что существует множество потенциальных эволюционных путей к фенотипу C 4 , многие из которых включают начальные эволюционные шаги, не связанные напрямую с фотосинтезом. [20] Растения C 4 возникли около 35 миллионов лет назад [19] во время олигоцена (точно, когда трудно определить) и стали экологически значимыми в раннем миоцене около 21 миллиона лет назад . [21] Метаболизм C 4 в травах возник, когда их среда обитания мигрировала из тенистого подполога леса в более открытую среду, [22] где высокий уровень солнечного света дал ему преимущество перед путем C 3 . [23] Для его нововведения не была необходима засуха; скорее, повышенная экономность в использовании воды была побочным продуктом этого пути и позволила растениям C 4 более легко колонизировать засушливые среды. [23]
Сегодня растения C 4 составляют около 5% биомассы растений Земли и 3% известных видов растений. [18] [24] Несмотря на эту нехватку, на их долю приходится около 23% фиксации углерода на Земле. [25] [26] Увеличение доли растений C 4 на Земле может способствовать биосеквестрации CO 2 и представлять собой важную стратегию предотвращения изменения климата . Современные С4 - растения сосредоточены в тропиках и субтропиках (ниже 45° широты), где высокая температура воздуха увеличивает интенсивность фотодыхания С3- растений .
Около 8100 видов растений используют фиксацию углерода C 4 , что составляет около 3% всех наземных видов растений. [26] [27] Все эти 8100 видов являются покрытосеменными . Фиксация углерода C 4 чаще встречается у однодольных растений по сравнению с двудольными : 40% однодольных используют путь C 4 [ необходимы разъяснения ] по сравнению только с 4,5% двудольных растений. Несмотря на это, только три семейства однодольных используют фиксацию углерода С 4 по сравнению с 15 семействами двудольных. Из однодольных клад, содержащих растения C 4 , виды злаков ( Poaceae ) больше всего используют путь фотосинтеза C 4 . 46% трав относятся к C4 , что вместе составляет 61% видов C4 . C 4 независимо возникал в семействе трав примерно двадцать или более раз, в различных подсемействах, трибах и родах, [28] включая трибу Andropogoneae , которая содержит продовольственные культуры - кукурузу , сахарный тростник и сорго . Различные виды проса также относятся к C 4 . [29] [30] Из клад двудольных, содержащих виды C 4 , порядок Caryophyllales содержит наибольшее количество видов. Из семейств Caryophyllales Chenopodiaceae больше всего используют фиксацию углерода C 4 : ее используют 550 из 1400 видов. Около 250 из 1000 видов родственных Amaranthaceae также используют C 4 . [18] [31]
Члены семейства осоковых Cyperaceae и представители многочисленных семейств эвдикотовых , включая Asteraceae (семейство маргариток), Brassicaceae (семейство капустных) и Euphorbiaceae (семейство молочайных) также используют C 4 .
Никакие большие деревья (высотой более 15 м) не используют C 4 , [32] однако существует ряд небольших деревьев и кустарников высотой менее 10 м, которые используют: шесть видов молочайных , произрастающих на Гавайях, и два вида амарантовых, растущих в пустынях Ближний Восток и Азия. [33]
Учитывая преимущества C 4 , группа ученых из учреждений по всему миру работает над проектом C 4 Rice Project по созданию штамма риса , естественно, растения C 3 , которое использует путь C 4 , изучая растения кукурузы C 4 . и Брахиподий . [34] Поскольку рис является самой важной пищей человека в мире (это основной продукт питания для более чем половины планеты), наличие риса, который более эффективно преобразует солнечный свет в зерно, может иметь значительные глобальные выгоды для улучшения продовольственной безопасности . Команда утверждает, что рис C 4 может производить на 50% больше зерна, причем с меньшими затратами воды и питательных веществ. [35] [36] [37]
Исследователи уже идентифицировали гены, необходимые для фотосинтеза C 4 в рисе, и теперь рассматривают возможность разработки прототипа растения риса C 4 . В 2012 году правительство Соединенного Королевства вместе с Фондом Билла и Мелинды Гейтс выделило 14 миллионов долларов США в течение трех лет на проект риса C 4 в Международном научно-исследовательском институте риса . [38] В 2019 году Фонд Билла и Мелинды Гейтс выделил еще 15 миллионов долларов США на проект C4 Rice Project под руководством Оксфордского университета. Цель пятилетнего проекта — к 2024 году создать экспериментальные полевые участки на Тайване. [39]
Фотосинтез C 2 , промежуточный этап между C 3 и C 4 Кранца , может быть предпочтительнее C 4 для переработки риса. Более простая система менее оптимизирована для условий яркого освещения и высоких температур, чем C 4 , но имеет то преимущество, что требует меньшего количества этапов генной инженерии и работает лучше, чем C 3 , при всех температурах и уровнях освещенности. [40] В 2021 году правительство Великобритании выделило 1,2 миллиона фунтов стерлингов на изучение инженерного дела C 2 . [41]
