Дослідники з Віденського університету показали, що у тропічних дерев роду Clusia водоефективний тип фотосинтезу CAM (Crassulacean Acid Metabolism) виникав кількома еволюційними шляхами. Нові дані про геноми цих рослин можуть у майбутньому допомогти точніше пристосовувати сільськогосподарські культури до посушливих умов. Про роботу розповідає видання SciTechDaily.
Н незвичний трюк фотосинтезу
Рослини зазвичай відкривають продихи на листках удень, щоб поглинати вуглекислий газ і виділяти кисень, перетворюючи CO₂ і воду на цукри за допомогою світла. Але під час посухи це призводить до великих втрат води через випаровування.
Ще близько 1800 року Олександр фон Гумбольдт помітив дивне явище: листок тропічного дерева, занурений у воду й освітлений сонцем, не виділяв бульбашок кисню. Згодом стало зрозуміло, що такі рослини вдень тримають продихи закритими, зменшуючи втрату вологи, а CO₂ поглинають уночі, хімічно зв’язують і зберігають у вигляді яблучної кислоти. Цю стратегію назвали CAM-фотосинтезом.
До останнього часу було неясно, як саме CAM виник у роді Clusia і чому в межах однієї групи дерев він проявляється у настільки різних формах.
Геноми трьох видів Clusia під мікроскопом
Команда під керівництвом Вольфрама Векверта (Wolfram Weckwerth) проаналізувала геноми трьох видів Clusia з різними типами CAM-фотосинтезу: Clusia rosea, Clusia minor і Clusia major. Молекулярні дані поєднали з фізіологічними вимірюваннями, проведеними в теплиці за умов, максимально наближених до природних, із різним рівнем доступності води.
Рід Clusia унікальний тим, що включає єдині відомі науці дерева з CAM-фотосинтезом і демонструє дуже широкий спектр фотосинтетичних стратегій — від класичного С₃-фотосинтезу (поглинання CO₂ вдень) до сильно розвиненого CAM.
Аналіз показав, що всі три види Clusia є давніми поліплоїдами: у ході еволюції їхні геноми спочатку збільшилися в кілька разів (поліплоїдизація), а потім протягом мільйонів років були перебудовані й «ущільнені» (диплоїдизація).
За словами провідного автора Ганнеса Краммля (Hannes Kramml), у цьому процесі копії генів можуть втрачатися, вимикатися або набувати нових функцій. Співавтор Йоганнес Герпель (Johannes Herpell) зазначає, що особливо сильно це торкнулося генів, важливих для нічного запасання CO₂ у вигляді органічних кислот у CAM-метаболізмі.
Керівник дослідження Вольфрам Векверт підкреслює, що геноми не просто «подвоїлися»: вони були глибоко реорганізовані, зменшені й функціонально «перепідключені». Саме ця геномна пластичність, за його словами, пояснює велику різноманітність форм CAM у роді Clusia.
Як генетика пов’язана з поведінкою рослин
Щоб зрозуміти, як генетичні відмінності проявляються на рівні цілого організму, дослідники відстежували роботу рослин протягом доби за різних режимів зволоження. Вони поєднали вимірювання фотосинтезу з аналізом активності генів, білків і метаболітів.
Clusia rosea демонструє сильний CAM: у неї чітко видно нічне накопичення вуглекислого газу у вигляді яблучної кислоти. У Clusia minor CAM «вмикається» переважно за стресових умов, тоді як Clusia major використовує змішану стратегію, поєднуючи С₃-фотосинтез і CAM.
Ці відмінності стабільно відображаються в картинах активності генів і метаболізму та узгоджуються з виявленими геномними перебудовами. У результаті CAM у Clusia виглядає не як один-єдиний еволюційний стрибок, а як наслідок повторюваних геномних реорганізацій, що дозволили різним видам пристосуватися до різних екологічних ніш.
Що це означає для сільського господарства
Рослини з CAM-фотосинтезом витрачають значно менше води, тому вони розглядаються як перспективні моделі для створення культур, здатних витримувати спекотніший і посушливіший клімат.
Нові геномні дані дають змогу точніше визначати метаболічні процеси, пов’язані з ефективним фіксуванням CO₂ і підвищеним водозбереженням. У довгостроковій перспективі це може допомогти вченим цілеспрямовано адаптувати сільськогосподарські рослини до сухих умов, спираючись на природні «трюки» фотосинтезу, які вже відпрацювала еволюція в роді Clusia.