Фотодыхание растений: что это и почему жара тормозит рост конопли

Фотодыхание — это процесс, при котором фермент RuBisCO связывает не углекислый газ, а кислород, и растение тратит энергию, не запасая её. Чем выше температура, тем больше фотодыхания, поэтому в жару рост замедляется. Но у этого «расточительного» процесса есть и полезная сторона: он помогает растениям переживать стресс.

Для контекста: фотосинтез — это процесс, при котором растения превращают солнечную энергию в богатые энергией органические вещества и запасают их для роста. При этом они поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Фотодыхание, хоть и идёт как бы против фотосинтеза, неразрывно с ним связано.

Фотодыхание начинается, когда фермент RuBisCO вместо углекислого газа связывает кислород. С ростом температуры этот процесс усиливается.

Чем жарче, тем больше доля фотодыхания. Если оно сравняется по масштабу с фотосинтезом, рост растения может полностью остановиться.

Понимать роль фотодыхания важно, чтобы растения росли эффективнее, — особенно на фоне изменения климата и связанной с ним жары. Поэтому изучать этот процесс и управлять им нужно и для урожайности, и для устойчивости экосистем.

Что такое фотодыхание?

Фотодыхание — сложный и очень важный для растений биологический процесс, хотя без базы по биологии он может показаться запутанным. Технически всё начинается с реакции, которую катализирует фермент рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (RuBisCO).

Вместо того чтобы связать углекислый газ (CO₂), как при фотосинтезе, RuBisCO связывает кислород (O₂), и образуется 2-фосфогликолят. Дальше он перерабатывается по фотодыхательному пути и превращается в 3-фосфоглицерат — промежуточное вещество цикла Кальвина.

По ходу этого обмена выделяются углекислый газ (CO₂) и аммиак (NH₃), а АТФ и другие восстановительные эквиваленты расходуются. Из-за этих трат фотодыхание с точки зрения энергии — процесс неэффективный.

Фотодыхание как защита растения от стресса

Несмотря на неэффективность, фотодыхание может играть ключевую роль в защите растения от стресса. Работая как «сброс» лишней энергии, оно не даёт перегрузить фотосинтетическую электрон-транспортную цепь и защищает от фотоингибирования — повреждения фотосинтетического аппарата избытком света.

Особенно это важно при стрессе, который снижает усвоение CO₂ при фотосинтезе.

Кроме того, фотодыхание даёт метаболиты, нужные для других процессов. Например, глицин, который образуется при фотодыхании, необходим для синтеза глутатиона — антиоксиданта, защищающего растение от окислительного стресса.

Это жизненно важно при засухе, высокой засолённости и очень ярком свете — обычных условиях, например, для альпийских растений.

Короче: хотя фотодыхание обходится растению дорого по энергии, оно играет важную роль в защите конопли от неблагоприятных условий и помогает ей продолжать жить и расти в трудной среде.

Почему возникает фотодыхание?

Фотодыхание возникает из-за работы фермента RuBisCO (рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы). Этот фермент — основа фотосинтеза: именно он связывает углекислый газ на этапе фиксации углерода.

Но когда температура растёт, RuBisCO всё чаще работает как оксигеназа, а не как карбоксилаза. То есть вместо углерода фермент захватывает кислород — и запускается фотодыхание.

Зачем растению и фотодыхание, и фотосинтез

Фотосинтез и фотодыхание — основа жизни и выживания растений. Фотосинтез позволяет превращать солнечную энергию в богатые энергией органические вещества, даёт кислород и служит фундаментом жизни на Земле.

Без фотосинтеза не было бы большей части растений, а значит, и животным пришлось бы туго: без кислорода и базового питания не выжить.

Фотодыхание же, хоть на первый взгляд и выглядит неэффективным и затратным, играет ключевую роль в защите растений при стрессе от среды.

Фотодыхание у конопли

Этот процесс работает как защита от перегрузки электрон-транспортной цепи и от фотоингибирования — особенно в жару, засуху и при засолении. Кроме того, он поставляет метаболиты для других процессов, важных для защиты и приспособления к стрессу.

В итоге оба процесса, хоть и разные, дополняют друг друга, и растению нужны оба. Фотосинтез даёт энергию и базовый материал для роста и размножения, а фотодыхание помогает выживать и приспосабливаться к тяжёлым условиям.

Понимать, как они взаимодействуют, важно и для биологии растений, и для того, чтобы растения легче переносили изменения климата.