Pasiklydę samanose: ASU mokslininkai atsako į pagrindinius klausimus apie fotosintezės evoliuciją

Pasiklydę samanose: ASU mokslininkai atsako į pagrindinius klausimus apie fotosintezės evoliuciją
2022 m. vasario 23 d

Arizonos valstijos universiteto mokslininkų komanda žengė reikšmingą žingsnį arčiau fotosintezės paslapčių atskleidimo, nustatydama labai didelio fotosintezės superkomplekso samanose struktūrą.

Šis svarbus atradimas yra išdėstytas jų dokumente, ką tik paskelbtame Nature Plants. Straipsnis pavadintas „Physcomitrium patens struktūra „Photosystem I“ atskleidžia unikalų „Lhca2a“ paralogą, pakeičiantį „Lhca4“.

Yuval Mazor yra ASU Molekulinių mokslų mokyklos ir Biodizaino instituto docentas. Mary Zhu / ASU nuotr

Parsisiųsti visą paveikslėlį

„Ši struktūra yra didelis laimėjimas atsekant fotosistemų ir jų antenų evoliucijos kelią palei žaliąją liniją, vedančią į šiuolaikinius augalus“, – sakė Yuval Mazor, vyresnysis autorius ir Molekulinių mokslų ir biodizaino mokyklos docentas. Instituto Taikomųjų struktūrinių atradimų centras.

Supratimas apie fotosintezę

Deguonies fotosintezė, atsakinga už šiandien žinomą biosferą, cianobakterijose išsivystė prieš 2,5 milijardo metų.

Melsvabakterių įtraukimas į nefotosintetinę eukariotinę ląstelę sukūrė žalią fotosintetinių organizmų liniją, vedančią į aukštesnius augalus beveik prieš 1,5 milijardo metų. Maždaug prieš 450 milijonų metų dabartinių augalų protėviai pradėjo kolonizuoti sausumą, todėl samanos tapo geriausiu šio evoliucijos proceso atstovu.

Perėjimas iš jūrinės į antžeminę aplinką labai padidino šviesos intensyvumą ir išdžiūvimą be apsauginio vandens poveikio. Dėl šių aplinkos pokyčių pirmųjų sausumos kolonizatorių fotosintezės mašinos buvo pritaikytos. Dauguma šviesos reakcijų adaptacijų įvyko, kai skirtingos antenų sistemos evoliucionavo, kad pakeistų šviesos surinkimo ir fotoapsaugos būdus.

„Samanos yra pagrindinis augalų šeimos medžio narys ir yra unikalus augalų evoliucijos laikotarpis“, – sakė Chrisas Gorskis, magistrantūros studentas ir vienas iš trijų pirmųjų popieriuje autorių. Photosystem I kompozicija, kurią kai kurie iš šių ankstyvųjų augalų protėvių sukūrė po Perėjimas iš jūrinės aplinkos į atšiauresnę antžeminę aplinką.

Mazor komanda

Iš kairės į dešinę: Alanas Nisanovas, bakalauro studijų studentas; Kristupas Gorskis, abiturientas; Zhen Da, abiturientas; docentas Yuval Mazor; Zachas Dobsonas, abiturientas; Jin Li, abiturientas; Halima Khatun, abiturientas; ir Randel Maqdisi, bakalauro studijų studentas. Mary Zhu / ASU nuotr

Kaip minėta, samanos yra svarbios kaip atspirties taškas prisitaikant prie žemės, kaip kraujagyslių, žydinčių augalų evoliucijos dalis. Samanos gali gyventi tiek sausoje žemėje, tiek vandens aplinkoje. Jie neturi aukštesniųjų augalų kraujagyslių audinių ir embrionų, bet yra daugialąsčiai, o jų gyvenimo ciklas yra labiau „pažengusių“ augalų pagrindas.

Šiame darbe Mazoras ir jo komanda aprašo samanų fotosistemos I kriogeninės elektroninės mikroskopijos (krio-EM) struktūrą kartu su jos LHCI antena esant 2,8 Å (angstromas yra dešimtoji nanometro dalis, o tai savo ruožtu yra milijonoji milimetras) raiška ir jos periferinė antena (vadinama LHCI) samanose.

Labai ryški kraujagyslių augalų – visų augalų, kurie išsivystė „po samanų“ – savybė yra ta, kad juose yra mažai energijos turinčių chlorofilų LHCI. Šie mažai energijos turintys chlorofilai, kurie yra „raudonesni“ nei įprasti chlorofilai, yra pernešti genu, vadinamu Lhca4 (LHCI dalis).

Šios samanos neturi Lhca4 genų, tačiau turi daug panašių genų. Komandos struktūroje jie sugebėjo nustatyti specifinį geną, pakeičiantį Lhca4. Kadangi Lhca4 genai egzistuoja organizmuose, kurie buvo prieš samanas, jie mano, kad ši samanų šaka prarado savo Lhca4 ir pakeitė ją naujai identifikuotu genu (vadinamu lhca2b).

Tai svarbu, nes parodo, kad LHCI šviesos sugerties savybės (nėra arba yra mažai energijos turinčių chlorofilų) gali pasikeisti per gana trumpą laiką. Mazoras mano, kad šis prisitaikymas yra susijęs su samanų gebėjimu išlaikyti savo gebėjimą augti po vandeniu ten, kur dėl vandens stulpelio sugerties mažai energijos (paslinkusi raudona) šviesa.

Per pastaruosius kelerius metus vienos dalelės krio-EM sukėlė revoliuciją struktūrinėje biologijoje ir tapo naujai dominuojančia disciplina. Cryo-EM leidžia tyrėjams pažvelgti į biologines struktūras, kurios prieš keletą metų tiesiog nebuvo prieinamos, o dabar labai išsamiai atskleidžia precedento neturinčias sudėtingumo struktūras.

Iš tiesų, būtent šis metodas, kurį naudoja Molekulinių mokslų mokyklos ir Liberalų menų ir mokslų kolegijos ekspertai, leido išsiaiškinti PSI struktūrą samanose.

Mazor komandą sudaro Gorskis, tyrimų technikas Reece Riddle ir doktorantė Hila Toporik, visi pirmieji bendraautoriai. Magistrantūros studentai Zhen Da ir Zach Dobson, taip pat Dewight Williams, John M. Cowley didelės skiriamosios gebos elektroninės mikroskopijos centro mokslinis bendradarbis, taip pat labai prisidėjo prie tyrimo.

Autoriai norėtų padėkoti už Titan Krios naudojimą Arizonos valstijos universiteto Erying medžiagų centre ir šio instrumento finansavimą pagal NSF MRI 1531991. Šis tyrimas finansuojamas iš Arizonos valstijos universiteto dotacijos pradžiai. ir remiamas Nacionalinio mokslo fondo dotacijos numeriu 2034021 Mazorui.

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.