Ученые из Национальной лаборатории департамента энергетики штата Оук-Ридж (ORNL) идентифицировали общий набор генов, которые позволяют различным засухоустойчивым растениям выживать в полузасушливых условиях, которые могут играть важную роль в биоинженерии и создавать энергетические культуры, которые терпимы к дефициту воды.
Некоторые растения процветают в засушливых районах, удерживая их устьица или поры закрытыми в течение дня, чтобы сохранить воду и открыть их ночью, чтобы собрать углекислый газ. Эта форма фотосинтеза, известная как метаболизм крассулацеиновой кислоты или CAM, эволюционировала в течение миллионов лет, создавая водосберегающие характеристики на растениях, таких как каланхое, орхидея и ананас.
CAM является проверенным механизмом повышения эффективности использования воды в растениях. Когда мы раскрываем строительные блоки, которые составляют фотосинтез CAM, мы сможем осуществлять биоинженерию метаболических процессов в водных культурах таких как рис, пшеница, соя и тополь, чтобы ускорить их адаптацию к водным условиям », - сказал соавтор исследований Xiaohan Yang.
Ученые изучают различные засухоустойчивые растения, чтобы разгадать тайну фотосинтеза САМ. Для этой работы команда, возглавляемая ORNL, упорядочила геном каланхоэ Федченко, являющийся новой моделью исследований генома CAM из-за относительно небольшого генома и способности к генетической модификации.
Команда исследовала и сравнила геномы каланхоэ Федченко (Kalanchoë fedtschenkoi), орхидеи Фаленопсис наездник (Phalaenopsis equestris orchid) и ананаса хохлатого (Ananas comosus) с использованием суперкомпьютера «Титан» ORNL.
«Широко признано, что некоторые несвязанные растения проявляют сходные характеристики в аналогичных условиях окружающей среды, процесс, известный как конвергентная эволюция», - сказал Xiaohan Yang.
Они идентифицировали 60 генов, которые демонстрировали конвергентную эволюцию в CAM-видах, включая конвергентные дневные и ночные изменения экспрессии генов в 54 генах, а также конвергентную последовательности белка в шести генах. В частности, команда обнаружила новый вариант фосфоенолпируваткарбоксилазы или PEPC. PEPC является важным «рабочим» ферментом, ответственным за ночную фиксацию двуокиси углерода в яблочной кислоте. Затем яблочная кислота превращается обратно в диоксид углерода при фотосинтезе в течение дня.
«Эти конвергентные изменения в экспрессии генов и последовательности белка могут быть введены в растения, которые полагаются на традиционный фотосинтез, ускоряя их эволюцию, чтобы стать более эффективными в использовании воды», - сказал Xiaohan Yang. Команда опубликовала свои выводы в журнале Nature Communications.
Растениеводство является крупнейшим в мире потребителем пресной воды. Наличие чистых водных ресурсов сокращается из-за урбанизации, роста населения и изменения климата, что представляет собой проблему для оптимально растущей окружающей среды.
Чтобы решить эту проблему, инженерный фотосинтез CAM на продовольственные и энергетические культуры может сократить использование сельскохозяйственной воды и повысить устойчивость сельскохозяйственных культур, когда водоснабжение будет меньше, чем небходимо.
«Изучение генома водосберегающих растений может также дать представление о способности растений использовать слегка соленую воду и поддерживать рост при более высокой температуре и более низкой доступности чистой воды», - сказал Джерри Тускан, соавтор и главный исполнительный директор Центра инноваций в области биоэнергетики во главе с ORNL. «Если мы сможем определить механизмы эффективности использования воды, мы можем перенести эту черту на агрономические растения, поставлять непищевую воду в качестве ирригации для этих растений и экономить чистую воду для питья».
Источник: phys.org
