КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-74-10085
НазваниеИзучение молекулярных механизмов адаптации фотосинтезирующих организмов к экстремальным факторам освещенности.
Руководитель Петрова Анастасия Александровна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений
Ключевые слова фотосинтез, энергия солнечного света, эффективность фотосинтеза, спектральный состав света, дальний красный свет, интенсивность света, фотосистема 1, перенос электрона, кинетика рекомбинации, линейный электронный транспорт, восстановление кислорода, кинетическое моделирование
Код ГРНТИ34.31.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Энергия солнечного света, преобразуемая растениями в химическую форму в процессе фотосинтеза, является бесплатным и неисчерпаемым ресурсом для сельского хозяйства. Квантовый выход разделения зарядов в выделенных пигмент-белковых комплексах фотосистем 1 и 2 (ФС 1 и ФС 2) приближается к 100% при освещении их в видимом спектральном диапазоне 400-700 нм. В оптимальных условиях сельскохозяйственные растения способны непосредственно преобразовывать в углеводороды не более 5-6% солнечной энергии, падающей на поверхность листьев при 30° C и давлении [CO2] 380 ppm. Вся остальная энергия утрачивается безвозвратно, рассеиваясь в виде тепла. Однако и эту энергию растение усваивает не полностью, так как дополнительные потери происходят из-за сопутствующих метаболических процессов (альтернативные пути электронного транспорта, фотодыхание). In vivo эффективность преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей растениями не превышает 1%. Потери возникают из-за того, что в фотосинтетической электрон-транспортной цепи наряду с линейным переносом электрона происходит ряд побочных реакций для диссипации избытка поглощенной солнечной энергии в тепло. В литературе обсуждается два принципиальных способа повышения продуктивности фотосинтеза. Первое направление связано с уменьшением потерь, что может быть достигнуто воздействием на темновые биоэнергетические процессы, которые протекают по-разному у растений, относящихся к C3 и C4 путям фотосинтеза. Второе направление связано с адаптацией фотосинтетических комплексов к поглощению световой энергии в дальнем красном диапазоне 700-740 нм. Относительная плотность среднего потока фотонов солнечного спектра на поверхности Земли, усредненная по территории 48 штатов США за период в один год, имеет максимум около 680 нм (http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/). В климатогеофизических условиях РФ этот максимум смещен в область >700 нм из-за более сильного рассеяния коротковолновых спектральных компонент атмосферой. Ключевым функциональным элементом, ответственным как за распределение энергетических потоков в тилакоидах хлоропластов, так и осуществляющим поглощение световой энергии в диапазоне 700-740 нм, является пигмент-белковый комплекс ФС 1. ФС 1 принимает участие в следующих процессах: (1) линейном транспорте электрона, результатом которого является восстановление ферредоксина и НАДФ+, необходимых для биосинтеза углеводов; (2) циклическом переносе электрона, направленном на ускорение синтеза АТФ; (3) псевдоциклическом переносе электрона, в ходе которого происходит восстановление молекулярного кислорода. Повышение эффективности фотосинтеза возможно за счет снижения вклада последнего процесса в суммарный электронный транспорт. В последнее десятилетие также активно изучается механизм фотоиндуцированного разделения зарядов в ФС 1 при облучении комплекса световой энергией в ближнем инфракрасном диапазоне 720-760 нм, который является предельным для фотосинтеза высших растений.
Цианобактерии и микроводоросли в ходе эволюции выработали большое разнообразие механизмов повышения эффективности фотосинтетического электронного транспорта в неоптимальных условиях освещенности, как при избытке, так и при недостатке солнечного света. При общей консервативности фотосинтетического аппарата, эти организмы несут в молекулярной структуре ФС 1 и сопряженных с ним свето-собирающих комплексов локальные модификации, которые позволяют им более эффективно функционировать в экстремальных условиях. Аналогичные изменения могут быть внесены в генетический аппарат сельскохозяйственных растений с помощью современных молекулярно-генетических подходов. Таким образом, расширение фотосинтетически-активного спектрального диапазона и повышение общей эффективности преобразования солнечной энергии растениями являются базой для поднятия продуктивности сельского хозяйства.
Настоящий проект нацелен на изучение процессов фотосинтетического переноса электрона в комплексах ФС 1выделенных из организма, приспособленных к использованию дальнего красного света – это цианобактерии Chroococcidiopsis thermalis и Acaryochloris marina; из организма, приспособленного к фотосинтезу в условиях высокой интенсивности освещения - зеленой водоросли Chlorella ohadii. Эти экстремофильные организмы будут сопоставлены с представителями трех филогенетических групп фотосинтезирующих организмов: высшим растением Spinacia oleracea, зеленой водорослью Chlamydomonas reinhardtii и классическим представителем цианобактерий Synechocystis sp. PCC 6803. Сверхбыстрые процессы преобразования солнечной энергии и первичного разделения зарядов в этих организмах будут изучены методами лазерной фемтосекундной абсорбционной спектроскопии «возбуждение-зондирование». Последующие реакции переноса заряда будут исследованы методом лазерной абсорбционной спектроскопии с микросекундным временным разрешением. Полученные данные будут проанализированы методами кинетического моделирования и сопоставлены со структурными особенностями изучаемых пигмент-белковых комплексов ФС 1, полученными методами молекулярно-динамического моделирования. Регуляция перераспределения энергетических потоков между линейным электронным транспортом и побочной реакцией восстановления молекулярного кислорода в секундном временном диапазоне будет исследована в условиях стационарного освещения методами ЭПР-спектроскопии и полярографического определения скорости поглощения кислорода.
Сопоставление данных, полученных различными экспериментальными методами, с результатами молекулярно-динамического моделирования и кинетического анализа позволит выявить молекулярные аспекты адаптации фотосинтезирующих организмов к различным условиям освещенности и даст перспективу последующей целенаправленной модификации сельскохозяйственных растений для увеличения эффективности фотосинтеза. Таким образом, исследование данных процессов является актуальным для решения фундаментальных и прикладных задач преобразования солнечной энергии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ