Вісн. Харків. нац. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія, 2018, вип. 2 (44), с. 6-17


https://doi.org/10.35550/vbio2018.02.006




ЕВОЛЮЦІЙНІ І ПРИКЛАДНІ АСПЕКТИ МЕХАНІЗМІВ КОНЦЕНТРУВАННЯ СО2 ФОТОАВТОТРОФІВ


В. В. Іванищев

Федеральна державна бюджетна освітня установа вищої освіти
«Тульський державний педагогічний університет ім. Л.М. Толстого»
(Тула, Росія)


Протягом двох останніх десятиліть накопичилися відомості про існування нових екологічних груп рослин, що мають особливості, пов'язані з топографією органел всередині клітини і біохімічними механізмами фотосинтезу. Ці риси зумовлюють їх здатність до адаптації до несприятливих умов і більш ефективні характеристики фотосинтетичної асиміляції неорганічного вуглецю, порівняно з тими, що спостерігаються у найбільш поширених С3-рослин. Огляд присвячений аналізу механізмів концентрування СО2, виявлених у фотоавтотрофів. Показано, що для їх реалізації важливі як особливості анатомічної будови листка, або топографії органел в клітині, так і біохімічні механізми, що забезпечують включення вуглекислого газу в органічні сполуки. Відзначено різноманітність структурних і функціональних компонентів для створення механізмів концентрування СО2. Крім того, розглянуті експериментальні дані про можливі шляхи еволюції фотосинтетичної асиміляції СО2. Наголошується, що надмірно механістичні уявлення про поліпшення С3-рослин не повинні суперечити головному біологічному законом, згідно з яким фенотип особини визначається взаємодією генотипу та умов середовища, в яких він реалізується. Розглянуто перспективи керування фотосинтетичним процесом і його ефективністю з метою створення більш продуктивних форм рослин.


Ключові слова: фотосинтез, механізми концентрування СО2, вищі рослини, еволюційні аспекти, поліпшення фотосинтезу С3-рослин

 


ЛІТЕРАТУРА


1. Abdullaev A., Gorenkova L.G., Ivanishchev V.V. 1989. Distribution of some enzymes of C4-acid metabolism in rye chloroplasts. Soviet Plant Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 36 (4) : 538-541.
 
2. Ivanishchev V.V. 1992. Determination of carboxylation efficiency in plants possessing a СО2 concentrating mechanism. Soviet Plant Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 39 (3) : 273-277.
 
3. Ivanishchev V.V. Biological role of oxaloacetate metabolism in chloroplasts of C-3 plants. Russ. J. Plant Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 44 (3) : 401-408.
 
4. Ivanishchev V.V. 2011. Productsionnyj protsess u rastenii i ego regulyatsiya. Tula : 114 p.
 
5. Ivanishchev V.V. 2017. Osnovy genetiki. Moscow : 207 p.
 
6. Ivanishchev V.V. 2017. Bioenergy issues in the light of new ideas in biology. Izv. Tul'skogo Gos. Univer. Yestesvenniye Nauki. 1 : 98-109.
 
7. Ivanishchev V.V. 2017. Issues of photosynthetic inorganic carbon assimilation in higher plants. Vestnik GOU DPO TO IPK I PPRO TO. 3 : 59-65.
 
8. Magomedov I.M. 2015. On the history of the discovery C4-photosynthesis. current state of problem. Advances in Current Natural Sciences (Uspekhi Sovrem. Yestestvoznaniya). 1 (6) : 962-965.
 
9. Nasyrov Yu.S. 1982. Genetika fotosinteza i selektsiya. Moscow : 64 p.
 
10. Hochachka P.W., Somero G.N. 1973. Strategies of biochemical adaptation. Philadelphia, London, Toronto : W.B. Saunders Company.
 
11. Agarwal R., Ortlebb S., Sainisa J.K., Melzer M. 2009. Immunoelectron microscopy for locating Calvin cycle enzymes in the thylakoids of synechocystis 6803. Mol. Plant. 2 : 32-42.
https://doi.org/10.1093/mp/ssn075
 
12. Akyildiz M., Gowik U., Engelmann S., Koczor M., Streubel M., Westhoff P. 2007. Evolution and function of a cis-regulatory module for mesophyllspecific gene expression in the C4 dicot Flaveria trinervia. Plant Cell. 19 : 3391-3402.
https://doi.org/10.1105/tpc.107.053322
 
13. Brown N.J., Palmer B.G., Stanley S., Hajaji H., Janacek S.H., Astley H.M., Parsley K., Kajala K., Quick W.P., Trenkamp S., Fernie A.R., Maurino V.G., Hibberd J.M. 2010. C4 acid decarboxylases required for C4 photosynthesis are active in the mid-vein of the C4 species Arabidopsis thaliana, and are important in sugar and amino acid metabolism. Plant J. 61 : 122-133.
https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2009.04040.x
 
14. Edwards G., Walker D. 1983. C3, C4: Mechanisms and Cellular and Environmental Regulation of Photosynthesis. Berkeley : 590 p.
 
15. Evans J.R. 1989. Photosynthesis and nitrogen relationships in leaves of C3 plants. Oecologia. 78 : 9-19.
https://doi.org/10.1007/BF00377192
 
16. Flügge U.I., Westhoff P., Leister D. 2016. Recent advances in understanding photosynthesis. F1000Res. 5 : 2890-2895. doi: 10.12688/f1000research.9744.1https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5224682/
https://doi.org/10.12688/f1000research.9744.1
 
17. Hibberd J.M., Covshoff S. 2010. The regulation of gene expression required for C4 photosynthesis. Ann. Rev. Plant Biol. 61 : 181-207.
https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042809-112238
 
18. Hibberd J.M., Quick W.P. 2002. Characteristics of C4 photosynthesis in stems and petioles of C3 flowering plants. Nature. 415 : 451-454
https://doi.org/10.1038/415451a
 
19. Hunt S., Smith A.M., Woolhouse H.W. 1987. Evidence for a light-dependent system for reassimilation of photorespiratory which does not include a cycle, in the intermediate species Moricandia arvensis. Planta. 171 : 227-234.
https://doi.org/10.1007/BF00391098
 
20. Gowik U., Westholl P. 2011. The path from C3 to C4 photosynthesis. Plant Physiol. 155 : 56-63.
https://doi.org/10.1104/pp.110.165308
 
21. Lara M.V., Chuong S.D.X., Akhani H., Andreo C.S., Edwards G.E. 2006. Species having C4 single-cell-type photosynthesis in the Chenopodiaceae family evolved a photosynthetic phosphoenolpyruvate carboxylase like that of Kranz-type C4 species. Plant Physiol. 142 : 673-684.
https://doi.org/10.1104/pp.106.085829
 
22. Lara M.V., Andreo C.S. 2016. Photosynthesis in nontypical C4 species C4 cycles without Kranz anatomy and C4 Crassulacean acid metabolism transitions. In: Handbook of Photosynthesis. Ed. M. Pessarakli. Boca Raton: CRC Press Taylor & Francis Group : 307-326.
https://doi.org/10.1201/b19498-24
 
23. Lundgren M.R., Osborne C.P., Christin P.-A. 2014. Deconstructing Kranz anatomy to understand C4 evolution. J. Exp. Bot. 65 : 3357-3369.
https://doi.org/10.1093/jxb/eru186
 
24. Meyer V., Griffiths H. 2013. Origins and diversity of eucariotic CO2-concentrating mechanisms: lessons for the future. J. Exp. Bot. 64 : 769-786.
https://doi.org/10.1093/jxb/ers390
 
25. Monson R.K., Rawsthorne S. 2000. CO2 assimilation in C3-C4-intermediate plants. In: Photosynthesis: Physiology and Metabolism. Eds R.C. Leegood, T.D. Sharkey, S. von Caemmerer. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers: 533-550.
https://doi.org/10.1007/0-306-48137-5_22
 
26. Muhaidat R., Sage R.F., Dengler N.G. 2007. Diversity of Kranz anatomy and biochemistry in C4 eudicots. Amer. J. Bot. 94 : 362-381.
https://doi.org/10.3732/ajb.94.3.362
 
27. Patel M., Siegel A.J., Berry J.O. 2006. Untranslated regions of FbRbcS1 mRNA mediate bundle sheath cell-specific gene expression in leaves of a C4 plant. J. Biol Chem. 281 : 25485-25491.
https://doi.org/10.1074/jbc.M604162200
 
28. Price G.D., Badger M.R., von Caemmerer S. 2011. The prospect of using cyanobacterial bicarbonate transporters to improve leaf photosynthesis in C3 crop plants. Plant Physiol. 155 : 20-26.
https://doi.org/10.1104/pp.110.164681
 
29. Price G.D., Pengelly J.J.L., Forster B., Du J., Whitney S.M., von Caemmerer S., Badger M.R., Howitt S.M., Evans J.R. 2013. The cyanobacterial CCM as a source of genes for improving photosynthetic CO2 fixation in crop species. J. Exp. Bot. 64 : 753-768.
https://doi.org/10.1093/jxb/ers257
 
30. Raven J.A. 1991. Physiology of inorganic C acquisition and implications for resource use efficiency by marine phytoplankton: relation to increased CO2 and temperature. Plant Cell Environ. 14 : 779-794.
https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.1991.tb01442.x
 
31. Raven J.A., Beardall J. 2003. Carbon acquisition mechanisms of algae: carbon dioxide diffusion and carbon dioxide concentrating mechanisms. In: Photosynthesis in algae. Advances in Photosynthesis and Respiration. Eds. A.W. Larkum, S.E. Douglas, J.A. Raven. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers. 14 : 225-244.
https://doi.org/10.1007/978-94-007-1038-2_11
 
32. Roberts K., Granum E., Leegood R.C., Raven J.A. 2007. C3 and C4 pathways of photosynthetic carbon assimilation in marine diatoms are under genetic, not environmental, control. Plant Physiol. 145 : 230-235.
https://doi.org/10.1104/pp.107.102616
 
33. Sage R.F. 2002. C4 photosynthesis in terrestrial plants does not require Kranz anatomy. Trends Plant Sci. 7 : 283-285.
https://doi.org/10.1016/S1360-1385(02)02293-8
 
34. Sage R.F. 2004. The evolution of C4 photosynthesis. New Phytol. 161 : 341-370.
https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2004.00974.x
 
35. Shen W.J., Ye L.H., Ma J., Yuan Z.Y., Zheng B.G., Lv C.G., Zhu Z.Q., Chen X., Gao Z.P., Chen G.X. 2016. The existence of C-4-bundle-sheath-like photosynthesis in the mid-vein of C-3 rice. Rice. 9. Doi: 10.1186/s12284-016-0094-5.
https://doi.org/10.1186/s12284-016-0094-5
 
36. von Caemmerer S. 1989. A model of photosynthetic assimilation and carbon-isotope discrimination in leaves of certain intermediates. Planta. 178 : 463-474.
https://doi.org/10.1007/BF00963816
 
37. Voznesenskaya E.V., Franceschi V.R., Kiirats O., Artyusheva E.G., Frejtag H., Edwards G.E. 2002. Proof of C4 photosynthesis without Kranz anatomy in Bienertia cycloptera (Chenopodiaceae). Plant J. 31 : 649-662.
https://doi.org/10.1046/j.1365-313X.2002.01385.x
 
38. Waters M.T., Langdale J.A. 2009. The making of a chloroplast. EMBO J. 28 : 2861-2873.
https://doi.org/10.1038/emboj.2009.264