Новое соединение будет бороться с сорняками через подавление фотосинтеза
Ученые разработали новое химическое соединение, ингибирующее фотосинтез в листьях растений: оно подавляет активность белкового комплекса, который осуществляет одну из ключевых реакций процесса — разложение воды до кислорода. Новое вещество может стать прототипом гербицидов, борющихся с сорными растениями, при этом оно безвредно для человека и животных. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Cells.
Фотосинтез — процесс, благодаря которому растения на свету синтезируют органические соединения из углекислого газа и воды. Он осуществляется с помощью двух крупных белковых комплексов — фотосистем 1 и 2 (ФС1 и ФС2), каждая из которых состоит из реакционного центра, окружающих его белков и пигментов. Под действием солнечного света хлорофилл в реакционном центре переходит в возбужденное состояние и передает свои электроны другим молекулам в составе фотосистемы. Последующие переходы электронов сопровождаются накоплением высокоэнергетических молекул, например АТФ, участвующих в синтезе органических соединений. Нехватка электронов, ушедших с хлорофилла, компенсируется за счет разложения молекул воды — именно в ходе этого процесса выделяется кислород как побочный продукт.
Ученые из Института фундаментальных биологических проблем Российской академии наук (Пущино) с коллегами из Университета Гази (Турция) синтезировали новое соединение на основе меди и органического фрагмента, подавляющее фотосинтез в листьях. Чтобы определить действие вещества, авторы выделяли из листьев обогащенные ФС2 тилакоидные мембраны — структуры внутри хлоропластов — и к полученной суспензии добавляли раствор нового соединения. Ингибирующее действие оценивали по тому, насколько уменьшалось вызванное освещением выделение кислорода — так, его скорость удалось снизить на 69%. Кроме того, влияние вещества смотрели по ряду других реакций, характеризующих активность ФС2: например, добавление ингибитора уменьшало свечение хлорофилла при фотосинтезе. При этом эффективность работы препарата не менялась со временем, а зависела только от его концентрации.
Снижение выделения кислорода свидетельствовало о том, что фотосистема работала менее эффективно. Предполагается, что основная мишень нового гербицида — реакционный центр белкового комплекса: вещество связывалось с ядром ФС2 и изменяло его структуру. В результате, как считают ученые, нарушался процесс передачи заряда между компонентами цепи переноса электронов. Разработанный ингибитор может быть использован в создании нового гербицида, который будет применяться, например, при борьбе с быстрорастущим сорными растениями, появляющимися до прорастания сельскохозяйственных культур. При этом подавление именно реакции разложения воды, осуществляющейся только в растительной клетке, позволяет предполагать, что гербицид окажется безопасным для человека и животных.
«Мы разработали соединение, которое позволит эффективно избавляться от нежелательных видов растений, существенно повышая, таким образом, урожайность сельскохозяйственных культур. Эти данные могут стать фундаментальной основой для разработки веществ, эффективно действующих при максимально низких концентрациях», — рассказывает первый автор работы Сергей Жармухамедов, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных биологических проблем РАН.
Также в исследовании приняли участие ученые из Института молекулярной биологии и биотехнологии Национальной академии наук Азербайджана (Баку), Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева (Москва), Университета короля Сауда (Саудовская Аравия) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).
Текст: Анна Дегтярь