Рослини розробили кілька способів використання сонячного світла для перетворення води та вуглекислого газу на багаті енергією цукри та кисень (фотосинтез). Але коли води мало, процес може значно ускладнитися.
Дослідники під керівництвом Вольфрама Векверта з Віденського університету тепер виявили, як особливо ефективна форма фотосинтезу води (CAM) еволюціонувала різними шляхами в межах одного роду тропічних дерев. Шляхом порівняння геномів трьох Клюзія видів, команда простежила, як дублювання стародавнього генома з наступною значною генетичною модифікацією допомогло створити різні форми CAM. Останні знахідки в Спілкування природи.
Секрету фотосинтезу 200 років
Близько 1800 року Олександр фон Гумбольдт помітив щось незвичайне, вивчаючи тропічне дерево. Він помістив один із його листочків у воду й виявив, що навіть на сонячному світлі він не виробляє бульбашок кисню, які він спостерігав раніше.
Пояснення криється в незвичайному розкладі дня заводу. Його продихи – це маленькі пори, які зазвичай вбирають CO2 і вивільняють кисень протягом дня, коли сходить сонце, залишаючись покритими та зменшуючи втрату води через випаровування. Натомість рослина поглинає CO2 вночі він хімічно зв’язує його і зберігає у вигляді яблучної кислоти.
Ця стратегія відома як «CAM Photosynthesis» (Crassulacean Acid Metabolism). Хоча вчені давно знають, як працює CAM, саме те, як це працює, змінювалося поколіннями Клюзіяі чому різні види використовують його по-різному, залишається невідомим.
Порівняння трьох геномів тропічних дерев
Для дослідження дослідники проаналізували геноми трьох людей Клюзія види з різними фенотипами CAM: Clusia rosea, Clusia minor, і Клюзія Майор. Вони поєднали молекулярні дані з вимірюваннями того, як рослини працюють у реальних умовах навколишнього середовища.
Нащадок Клюзія особливо цінний для вивчення еволюції фотосинтезу, оскільки він містить єдині дерева, які, як відомо, використовують CAM. Його види також демонструють надзвичайний діапазон фотосинтетичних стратегій, починаючи від C3 фотосинтез, під час якого вуглекислий газ поглинається протягом дня, дуже сильний у CAM.
Ця різноманітність дає вченим унікальну можливість зрозуміти, як рослини перемикаються між різними формами фотосинтезу.
Повторюваний фотосинтез стародавніх геномів
Геномний аналіз показав, що всі троє Клюзія види є стародавніми поліплоїдами. У якийсь момент їхньої еволюційної історії їхні геноми були подвоєні (поліплоїдизація). Згодом ці розширені геноми були перегруповані та модифіковані (диплоїдизація).
«Під час цього процесу копії генів втрачаються, інактивуються або приймають нові функції», — пояснює провідний автор відділу біології молекулярних систем кафедри функціональної та еволюційної екології Віденського університету.
Другий автор Йоханнес Герпелл додає: «Гени важливі для нічного CO2 зберігання в обміні CAM особливо постраждало».
Замість того, щоб передавати додаткові копії тих самих генів, рослини поступово перетворювали ці дубльовані геноми на щось інше.
«Геноми не просто зростали; протягом мільйонів років вони були реорганізовані, зменшені та функціонально змінені. Ця величезна пластичність пояснює фізіологічну різноманітність CAM у роду. Клюзія», – розповідає керівник дослідження Вольфрам Векверт.
Різні дерева використовують CAM по-різному
Потім дослідники дослідили, як ці генетичні відмінності вплинули на самі рослини. Вони спостерігали за деревами протягом дня в прилеглих природних тепличних умовах, змінюючи кількість доступної води.
Команда поєднала вимірювання фізіології рослин з аналізом активності генів, білків і метаболітів.
Три види продемонстрували напрочуд різні підходи. Роза Клюзія Використовує потужний CAM і зберігає велику кількість вуглекислого газу у вигляді яблучної кислоти вночі. Молода Клюзія в основному активує CAM при впливі стресових умов. Клюзія Майорв даний час він використовує гібридну стратегію поєднання C3 фотосинтез і CAM.
Ці фізіологічні відмінності також були помітні в моделях генної активності та метаболізму, що дозволило дослідникам пов’язати поведінку рослин із геномними змінами, які вони ідентифікували.
Висновки вказують на те, що CAM всередині Клюзія він не був створений жодною еволюційною подією. Натомість повторювані цикли геномних перебудов, схоже, породили різні версії стратегій збереження води, які допомагають окремим видам адаптуватися до дуже різних екологічних ніш.
Поради щодо більш стійких до посухи культур
Зрештою, результати можуть мати наслідки за межами тропіків.
Рослини CAM потребують значно менше води, ніж рослини, які повністю покладаються на традиційні форми фотосинтезу, що робить їх потенційно корисними моделями для вирощування стійких до клімату культур.
Нові доступні геномні дані можуть допомогти дослідникам ідентифікувати метаболічні процеси, пов’язані з ефективним CO2 фікції та ефективності використання води. У довгостроковій перспективі ці знання можуть допомогти вченим вирощувати культури, які краще підходять для посушливих умов навколишнього середовища.
