CAM-фотоси́нтез (, «кисло́тный метаболи́зм толстя́нковых» или «метаболи́зм углеро́да по ти́пу толстя́нковых») — метаболический путь связывания углерода, позволяющий растению фиксировать и запасать углекислый газ в форме четырёхуглеродной кислоты в течение ночи, а затем использовать его для синтеза трёхуглеродного сахара в течение дня. В то время как большинство растений поглощают CO2 в течение светового дня, в ходе полного цикла CAM-фотосинтеза днём устьица растения остаются закрытыми, чтобы уменьшить транспирацию, но открываются ночью, позволяя углекислому газу диффундировать в клетки листа. Здесь CO2 реагирует с фосфоенолпируватом (ФЕП) под действием фермента ФЕП-карбоксилаза и связывается в форме четырёхуглеродной кислоты оксалоацетата. Образовавшийся в результате реакции оксалоацетат превращается в малат, который накапливается в вакуолях в течение ночи, что придаёт листьям растения характерный кислый вкус. Днём малат выходит из вакуоли и распадается, а выделившийся CO2 поступает в восстановительный пентозофосфатный цикл. Высвобождаемый CO2 концентрируется вокруг рибулозобисфосфаткарбоксилазы, повышая эффективность работы фермента и подавляя фотодыхание. Данный механизм кислотного обмена впервые был описан у растений семейства толстянковые.
Преимущество механизма CAM-фотосинтеза состоит в том, что растение может держать свои устьица закрытыми в жаркие дневные часы, существенно снижая потери воды через транспирацию, и запасать углекислый газ ночью при значительно более выгодной температуре и влажности. Именно поэтому данный метаболический путь возник как адаптация к засушливым условиям у многих растений-ксерофитов и к недостатку воды — у тропических эпифитов. Кроме того, CAM-фотосинтез характерен для целого ряда погружённых водных или полуводных растений, обитающих в пресной воде. Для данной группы преимущество CAM заключается в адаптации к низкому содержанию CO2 в окружающей среде, а поглощение CO2 в ночное время позволяет избежать конкуренции с активно вегетирующими C3-растениями и водорослями, которые в дневное время суток способны существенно снижать концентрацию доступного углекислого газа.
По своей биохимии и общей схеме кислотный метаболизм толстянковых очень похож на классический C4-фотосинтез: фактически оба пути используют одни и те же ферменты. Главное отличие CAM-фотосинтеза заключается в том, что первичное связывание CO2 и его последующее высвобождение здесь разделены во времени, а не в пространстве, как в C4-фотосинтезе (клетки мезофилла и клетки обкладки пучка).
История открытия Первые упоминания о необычном метаболизме толстянковых можно отнести ко временам Древнего Рима, уже тогда люди заметили, что некоторые домашние растения в утренние часы имеют кислый вкус. Британский ботаник и основоположник анатомии растений Неемия Грю отметил кислый вкус алоэ в своей книге «Философская история растений», опубликованной в 1682 году. В период около 1804 года швейцарский химик Теодор де Соссюр поместил стебли кактуса опунция в атмосферу с повышенным содержанием CO2 (7 %) в отсутствие света, после чего наблюдал поглощение как O2, так и CO2. Результат оказался обескураживающим, поскольку другие исследованные им растения (с С3-фотосинтезом) в подобных условиях поглощали только кислород. Немецкий естествоиспытатель Бенджамин Хейн описал свой опыт жевания листьев растения Bryophyllum calycinum, которое произрастало в подответственном ему саду в Индии. По его словам, в целом листья имели «травянистый вкус», но ранним утром становились «кислыми как щавель, если не кислее». Примерно к полудню листья становились «безвкусными», а к вечеру «почти горьковатыми». Хейн нашёл свои наблюдения столь любопытными, что после возвращения в Англию в 1813 году изложил их в письме Лондонскому Линнеевскому обществу.
Попытки исследовать необычные растения с кислыми листьями предпринимались ещё с начала XIX века, однако они, как правило, сводились к выявлению соотношений кислоты и крахмала в исследуемых зелёных тканях и наблюдениями за поглощением углекислого газа и кислорода. После Второй мировой войны появилось множество доступных количественных и хроматографических методов определения углеводов, а за предыдущие 50 лет накопилось существенное количество знаний о метаболизме, биохимии и энзимологии, и была создана первая теоретическая модель С3-фотосинтеза. Используя новые методы, канадско-американский биохимик Хьюберт Викери и его коллеги провели наиболее точный качественный и количественный анализ CAM-фотосинтеза. Выяснилось, что в ночное время от 25 % до 30 % сухой массы растения участвовало в образовании кислоты. В своих работах (1936—1947) они продемонстрировали, что для CAM-растений характерен жёсткий внутренний режим; например, даже в постоянной темноте CAM-растения синтезировали крахмал только днём.
Работавший в то же время уэльский ботаник Мейрион Томас и группа его студентов провели всесторонний анализ соотношения выделяемого CAM-растениями углекислого газа к поглощаемому кислороду. Основываясь на открытой ранее гетеротрофной фиксации CO2 по пути Вуда — Льюнгдаля, Мейрион и его студенты предположили, что нечто подобное могло бы объяснить ночное поглощение CO2 в ходе кислотного метаболизма толстянковых. Вдохновлённые своим наставником многие студенты Томаса продолжили заниматься биохимией растений; так, например, в 1956 году Дэвид Уокер, исследуя растение с CAM-фотосинтезом, постулировал ФЕП-карбоксилазу как фермент, ответственный за первичную фиксацию CO2 в CAM и С4-фотосинтезе.
Именно Томас впервые использовал термин Crassulacean acid metabolism в докладе для Сообщества экспериментальной биологии в январе 1947 года, а позже и в четвёртом издании своего учебника «Физиология растений». Впоследствии термин преобразовался в акроним CAM, который получил широкое распространение.
Расшифровка биохимии С4-фотосинтеза дала серьёзный толчок исследованиям кислотного метаболизма. Уже в 1970 году на международном собрании в Канберре, когда Хэтч и Слэк представили детальную схему С4-фотосинтеза, стала очевидной схожесть этих двух путей и стоящих за ними механизмов. Идея получила широкое признание особенно после того, как год спустя ботаник Мак Лаетч остроумно окрестил новый C4-путь «CAM с кранц-анатомией». Практически сразу ферменты, участвующие в С4-пути, были обнаружены и у CAM-растений, в том числе и три ключевые декарбоксилазы; стали понятны принципы их регуляции. Совмещение инфракрасного газового анализатора и измерения диффузионного сопротивления позволило измерить проводимость устьиц и понять их роль в контроле поглощения CO2 и воды. Ритм открывания и закрытия устьиц хорошо совпадал с кривой поглощения CO2. В 1979 году Биллу Кокберну и коллегам удалось измерить концентрацию CO2 в листьях растений с CAM-фотосинтезом: в дневное время при закрытых устьицах декарбоксилирование малата приводило к увеличению CO2 с 0,2 % до 2,5 %. Стало очевидно, что такой механизм концентрации CO2 может очень эффективно подавлять фотодыхание. Окончательное понимание метаболического пути по типу толстянковых в его современном виде сложилось только к 1980 году в результате почти двенадцати лет усиленной работы более сорока учёных из нескольких научных коллективов.
Морфология
С морфологической точки зрения CAM-растения крайне разнообразны, а их внешний вид и анатомическое строение нельзя свести к одному или нескольким морфотипам. Единственная черта строения, характерная для всех CAM-растений, — это более или менее сильно выраженная суккулентность, то есть наличие водозапасающих тканей. Причём главную роль здесь играет не столько строение органов, сколько специфика самих клеточных структур, а именно наличие объёмных крупных вакуолей в клетках, содержащих хлоропласты: «сочность на уровне клетки». Вакуоли могут составлять до 98 % клеточного объёма. Их наличие необходимо для запасания CO2 в течение ночи в форме малата и его последующего высвобождения днём для фиксации в пентозофосфатном цикле. В целом для них характерно наличие крупных, плотно пригнанных друг к другу клеток с маленьким воздушным пространством между ними, что позволяет ограничить диффузию углекислого газа в течение дня. В остальном анатомическое строение листьев и стеблей у CAM-растений очень разнообразно.
CAM-растения крайне отличаются по своему внешнему виду и строению. Простые суккуленты листового типа, такие как виды каланхоэ, почти полностью состоят из одинаковых больших сферических клеток. У других листовых суккулентов с CAM-фотосинтезом есть нефотосинтезирующая водозапасающая ткань, которая может располагаться под кожицей, на периферии или в центре мезофилла. Для стеблевых суккулентов характерна осевая водозапасающая ткань в центре утолщённого стебля. К CAM-растениям относятся и многие эпифиты, как правило, из бромелиевых либо орхидных, хотя некоторые принадлежат к другим таксонам. Кроме душителей и вьющихся растений к этой группе относятся бесшипные кактусы-эпифиты, для некоторых из них даже характерна лианоподобная жизненная форма. CAM-растения часто формируют плотную листовую розетку, некоторые со специальными образованиями, такими как фитотельмы бромелиевых. Формирование розеток характерно и для некоторых погружённых растений, обитающих в пресной воде. Таким образом, CAM-растения принимают множество жизненных форм, каждая из которых обеспечивает свои потенциальные адаптивные преимущества, но нет ни одной отдельно взятой формы, которая бы специфически подходила для CAM-фотосинтеза.
Для многих наземных растений с CAM-фотосинтезом, обитающих в засушливых условиях, характерны признаки ксерофитов, такие как: толстые редуцированные листья с маленьким отношением площади поверхности к объёму, толстая кутикула, глубоко погружённые устьица.
Биохимия
Темновая фаза В классическом процессе CAM-фотосинтеза растение открывает устьица только ночью, когда воздух относительно прохладный и влажный, что позволяет избежать потерь воды во время дневной жары. Первая реакция пути эквивалентна таковой у C4-растений; поступивший в лист CO2 взаимодействует с фосфоенолпируватом под действием фермента ФЕП-карбоксилазы с образованием четырёхуглеродной кислоты — оксалоацетата.
В отличие от рибулозобисфосфаткарбоксилазы или Рубиско, которая связывает углерод в форме CO2, ФЕП-карбоксилаза фиксирует углекислый газ в форме гидрокарбонат-иона HCO3−. Поскольку в качестве субстрата используется заряженная молекула, то полностью исключается побочная реакция с незаряженной молекулой наподобие O2, которая к тому же отличается от гидрокарбоната по пространственному строению. Образование HCO3− из CO2 происходит с участием цинк-содержащего фермента карбоангидразы, который расположен в цитозоле клеток и ускоряет установление равновесия между двумя формами углекислоты.
Необходимый для первой реакции ФЕП у многих CAM-растений синтезируется ночью из крахмала в хлоропластах, но у многих растений источником углерода могут служить другие растворимые углеводы, такие как сахароза и фруктаны, запасённые в вакуоли. Постоянный приток ФЕП в цитоплазму крайне важен для осуществления стабильного CAM-фотосинтеза, и его количество является лимитирующим фактором всего процесса в целом. Некоторые растения могут расходовать от 25 % до 30 % своей сухой массы на синтез этого метаболита в ночное время.