С4-путь фотосинтеза (цикл Хетча — Слэка) Исследования показали, что в растениях, в которых процесс фотосинтеза протекает по С 4 -пути, имеются два типа клеток и хлоропластов: 1) мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа; 2) крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки.
Клетки обкладки имеют утолщенные клеточные стенки, содержат большое количество хлоропластов и митохондрий, расположены вокруг сосудистых пучков в 1 или 2 слоя. Совокупность указанных особенностей анатомического строения получила название корончатой анатомии или корончатого синдрома (от слова kranz — корона). Хлоропласты разных типов клеток характеризуются не только особенностями строения, но и разным типам фосфорилирования.
В клетках мезофилла по преимуществу происходит нециклическое фосфорилирование и образуется НАДФН, необходимый для цикла Кальвина, идущего в клетках обкладки. В хлоропластах клеток обкладки идет только циклическое фосфорилирование. Такое разделение типов фосфорилирования, возможно, связано с тем, что к хлоропластам клеток обкладки, расположенным в глубине листа, проникает по преимуществу более длинноволновый свет, который не поглощается фотосистемой, ответственной за разложение Н 2 0.
На первом этапе С 4 -пути углекислый газ, диффундирующий в лист через устьица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла с мелкими хлоропластами, в которых и происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (феп): Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (фепкарбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат).
ЩУК преобразуется в яблочную кислоту (малат) или аспарагиновую (аспартат). Восстановление до маната происходит в присутствии НАДФН, а для образования аспартата необходимо наличие NH 4+. Затем яблочная (или аспарагиновая) кислота, по-видимому, по плазмодесмам передвигается в клетки обкладки. В клетках обкладки яблочная кислота декарбоксилируется ферментом малатдегидрогеназой до пировиноградной кислоты (пируват) и С0 2 .
Реакция декарбоксилирования может варьировать у разных групп растений с использованием разных ферментов. С0 2 поступает в хлоропласты клеток обкладки и включается в цикл Кальвина—присоединяется к РБФ. Пируват возвращается в клетки мезофилла и превращается в первичный акцептор С0 2 — ФЕП. Таким образом, при С 4 -пути реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках.
Акцепторы С0 2 (ФЕП и РБФ) регенерируют, что и создает возможность непрерывного функционирования циклов. Фиксация С0 2 с участием ФЕП и образованием малата или аспартата служит своеобразным насосом для поставки С0 2 в хлоропласты обкладки, функционирующих по С 3 -пути.
Поскольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют еще кооперативным (Ю.С. Карпилов, 1970). Высказывается мнение, что С 4 -путь возник в процессе эволюции как приспособление к изменившимся условиям среды. При возникновении фотосинтеза атмосфера была значительно богаче С0 2 и беднее 0 2 .
Именно поэтому важнейший фермент цикла Кальвина Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) может работать только при сравнительно высоких концентрациях С0 2 . Благодаря деятельности самих растений состав атмосферы изменился: содержание С0 2 резко уменьшилось, а 0 2 возросло. В изменившихся условиях в осуществлении темновых реакций фотосинтеза появился ряд приспособительных черт.
В частности значительно увеличилось содержание фермента Rubisco, который составляет почти половину белков стромы хлоропластов. Вместе с тем у некоторых растений выработался особый, дополнительный путь связывания С0 2 с помощью ФЕП-карбоксилазы.
Этот фермент обладает большим сродством к углекислоте и работает при концентрациях С0 2 во много раз более низких по сравнению с Rubisco. Установлено, что и сопротивление мезофилла диффузии С0 2 у С 4 -растений более чем в 3,5 раз меньше и составляет 0,3—0,8 см/с, в то время как у С 3 — растений — 2,8 см/с. Фиксация по С 4 -пути имеет еще ряд преимуществ. Растения С 3 -пути характеризуются высокой интенсивностью процесса, получившего название фотодыхания.
Под фотодыханием понимают поглощение кислорода и выделение С0 2 на свету с использованием в качестве субстрата промежуточных продуктов цикла Кальвина.
Как показали исследования, Rubisco (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа) имеет двойственную функцию и может катализировать не только реакцию карбоксилирования цикла Кальвина: РБФ + С0 2 —> 2ФГК. Rubisco способна реагировать с 0 2 . осуществляя оксигеназную реакцию, при этом образуется фосфогликолевая кислота: РБФ + 0 2 -> ФГК + фосфогликолевая кислота. Фосфогликолевая кислота через ряд превращений распадается с выделением С0 2 . Таким образом, при фотодыхании часть промежуточных продуктов фотосинтеза теряется за счет выделения С0 2 .
Реакции окисления и карбоксилирования конкурируют друг с другом, а осуществление Rubisco карбоксилазной или оксигеназной функции зависит от содержания 0 2 и С0 2 . Фотодыхание требует повышенной концентрации 0 2 . Между тем, как уже упоминалось, в хлоропластах клеток обкладки концентрация 0 2 понижена, так как в них происходит только циклическое фосфорилирование, при котором вода не разлагается и 0 2 не выделяется. Вместе с тем в клетках обкладки повышена концентрация С0 2 .
Такие условия ингибируют процесс фотодыхания в клетках обкладки и поэтому растения С 4 -типа характеризуются очень низкой потерей С0 2 в результате фотодыхания. Потери на фотодыхание у С 3 -растений особенно возрастают при повышении температуры и освещенности. В этой связи понятно, что растения С 4 — это, главным образом, южные и даже тропические, которые получают дополнительные преимущества в смысле продуктивности фотосинтеза.
Оптимум температуры для фотосинтеза у С 3 -растений 20—25°С, тогда как у растений С 4 30—45°С. Светонасыщение фотосинтеза С 4 -растений также происходит при более высоких значениях интенсивности света, чем у С 3 -растений. Так, у растений С 3 -пути интенсивность фотосинтеза перестает увеличиваться при 50% от полного солнечного освещения, в то время как у С 4 -форм этого не происходит.
Такие особенности С 4 -растений объясняют высокую интенсивность фотосинтеза при повышенных температуре и освещенности. Характерным признаком растений С 4 -пути является, наконец, то, что образование продуктов цикла Кальвина происходит в хлоропластах, расположенных непосредственно около проводящих пучков.
Это благоприятствует оттоку ассимилятов и, как следствие, повышает интенсивность фотосинтеза. Различия между С 3 - и С 4 -растениями можно продемонстрировать, поместив их рядом в одной камере (например, кукурузу и бобы) при высокой температуре и освещенности.
Окажется, что С0 2 . выделяясь в процессе дыхания, постепенно переходит к кукурузе и соответственно изменяет темпы ее роста. Кукуруза как бы «съедает» растения бобов. Показано, что С 3 -растения ассимилируют С0 2 на полном солнечном свету со скоростью 1—50 мг/дм 2 ч, а С 4 -растения — со скоростью 40—80 мг/дм 2 ч. Кукуруза, сорго, просо, сахарный тростник являются одними из наиболее продуктивных культур. Так, интенсивность фотосинтеза у кукурузы 85 мг С0 2 /дм 2 ч, сорго — 55 мг С0 2 /дм 2 ч, тогда как у пшеницы всего 31 мг С0 2 /дм 2 ч.
Высокая потенциальная продуктивность С 4 -растений наиболее полно реализуется при полном солнечном освещении и высокой температуре. Важной физиологической особенностью С 4 -растений является их высокая засухо- и термоустойчивость. По мнению ряда исследователей возникновению С 4 -пути фотосинтеза способствовали засушливые условия окружающей среды. Уже отмечалось, что пространственное разделение процессов позволяет растениям с С 4 -путем фотосинтеза осуществлять фиксацию углекислоты даже при относительно закрытых устьицах, поскольку хлоропласты клеток обкладки используют С0 2 .
накопленный в виде доноров С0 2 (малат или аспартат). Известно, что закрывание устьиц на наиболее жаркое время дня сокращает потери воды за счет транспирации. Вместе с тем С 4 -растения отличаются более экономным расходованием воды.
Если С 3 -растения расходуют на образование 1 г сухого вещества 700—1000 г воды, то С 4 -растения — 300—400 г. Главной причиной пониженного расхода воды С 4 -растениями является то, что их устьица оказывают высокое сопротивление диффузии газов. При подвядании листьев и закрытии устьиц это сопротивление многократно возрастает для паров воды и в меньшей степени для С0 2 .
Низкая величина сопротивления диффузии клеток мезофилла для С0 2 у С 4 -растений при более высоком сопротивлении устьиц для Н 2 0 благоприятствует повышению интенсивности фотосинтеза при пониженной транспирации. Понятно поэтому, что С 4 -растения имеют преимущество перед С 3 -растениями в засушливых местах обитания благодаря высокой интенсивности фотосинтеза даже при закрытых устьицах.
Кроме того, им практически не угрожает опасность перегрева листьев, что связано с высокой термоустойчивостью. Показана солеустойчивость некоторых видов С 4 -растений, например, амаранта, и возможность их применения для фитомелиоративных целей.