Повышение уровня CO₂ в атмосфере изменило фотосинтез растений в течение XX века

Учёные из Университета Умео и Шведского университета сельскохозяйственных наук обнаружили, что рост концентрации CO₂ в атмосфере привёл к сдвигу в фотосинтетическом метаболизме растений на протяжении XX века. Это первое в мире исследование, которое выводит биохимическую регуляцию метаболизма растений из исторических образцов. Результаты опубликованы в ведущем журнале PNAS и повлияют на новые модели прогнозирования концентрации CO₂ в будущем.

У большинства растений поглощение CO₂ в процессе фотосинтеза снижается из-за побочной реакции — фотодыхания. Исследователи установили, что рост CO₂ в атмосфере в XX веке сместил баланс между фотосинтезом и фотодыханием в сторону фотосинтеза. Этот сдвиг до сих пор способствовал способности мировой растительности смягчать изменение климата, поглощая треть антропогенных выбросов CO₂. Известно, что фотодыхание усиливается с ростом температуры, что означает предсказуемое противодействие эффектов температуры и CO₂. Таким образом, метаболический сдвиг, вызванный CO₂, будет компенсироваться будущим повышением температур.

Способность растительности улавливать CO₂ из атмосферы посредством фотосинтеза является решающим фактором не только для глобального баланса CO₂, но и для прогнозирования будущих изменений климата и продуктивности сельскохозяйственных культур. Мониторинг метаболизма растений ретроспективно с использованием исторических образцов позволил количественно оценить, насколько возросший уровень атмосферного CO₂ в XX веке усилил способность растений поглощать углекислый газ.

«До недавнего времени изучение реакции растений на рост CO₂ в масштабах десятилетий и веков опиралось на симуляции, основанные на краткосрочных экспериментах, потому что методы обнаружения долгосрочных метаболических изменений отсутствовали. Реконструируя прошлые метаболические сдвиги в ответ на изменения окружающей среды, мы закладываем основу для лучшего моделирования будущих характеристик растений», — говорит профессор Юрген Шлойхер, руководивший исследованием.

Учёные наблюдали сдвиг в фотосинтетическом метаболизме как у диких видов растений, так и у сельскохозяйственных культур. Исследование проанализировало несколько различных C3-растений, которые в совокупности отвечают за большую часть глобального фотосинтеза и калорийности питания человека. В исторических образцах сахарной свёклы, выращенной в период с 1890 по 2012 годы, был отмечен сдвиг в метаболических потоках, полностью объяснимый влиянием CO₂, без заметного влияния сортов, изменений в сельскохозяйственной практике или селекции растений.

Исследователи разработали новую методологию с использованием ЯМР-спектроскопии для сравнения метаболизма в вековых гербарных образцах и современных растениях. Изучая внутримолекулярные изотопные паттерны глюкозы, образовавшейся в процессе фотосинтеза, они обнаружили, что изменения в этих паттернах связаны с изменениями метаболических потоков в зависимости от уровня CO₂. Метод был откалиброван в экспериментах в теплицах, а затем использован для сравнения исторических и современных образцов, что позволило отследить изменения метаболизма за столетия.