Наука

Вчені придумали, як змінити метаболізм рослин, щоб зробити їх засухостійкими

Вчені проводять дослідження, присвячені вивченню водозберігаючих альтернатив фотосинтезу в умовах клімату, який, ймовірно, стане більш спекотним і сухим в майбутньому. Американське суспільство біологів рослин розповіло про створення посухостійких культур з метаболізмом красулоїдної кислоти, який також відомий як фотосинтез САМ. Про екологічні переваги економії води в новій моделі метаболізму листя повідомляє стаття в журналі The Plant Cell.

Засуха викликає великі втрати врожаю в багатьох регіонах світу, а зміна клімату загрожує погіршити ситуацію як в помірних, так і в посушливих регіонах. У новій роботі доктор Надін Тепфер з Інституту генетики рослин і досліджень сільськогосподарських культур ім. Лейбніца разом з колегами з Оксфордського університету у Великобританії проаналізували потенціал створення посухостійких рослин шляхом впровадження метаболізму красулоїдної кислоти в культури.

Метаболізм красулоїдної кислоти (також відомий як фотосинтез САМ) — це шлях фіксації вуглецю, який розвинувся у деяких рослин в результаті адаптації до посушливих кліматичних умов.

У рослин, що використовують фотосинтез CAM, продихи на листках залишаються закритими протягом дня, щоб зменшити евапотранспірації (простіше кажучи, випаровування води). Однак вони відкриваються вночі для збору вуглекислого газу, що дозволяє їм дифундувати малат (яблучну кислоту) в клітини мезофіла. Вночі CO2 зберігається в вакуолях у вигляді чотирьохвуглецевої яблучної кислоти, а вдень вона транспортується в хлоропласти, де знову перетворюється в CO2. Цей вуглекислий газ потім використовується під час фотосинтезу. Попередньо зібраний CO2 сконцентрований навколо рибулозобісфосфаткарбоксилаза (ферменту RuBisCO). Він якраз і підвищує ефективність фотосинтезу. Цей механізм кислотного обміну був вперше виявлений у рослин сімейства Crassulaceae. Найвідоміший вид красули в — товстянка, яка отримала прізвисько «грошове дерево».

Вчені використовували складний математичний підхід до моделювання для вивчення ефектів використання фотосинтезу САМ в різні рослини.

Провідний автор Надін Тепфер, яка виконувала цю роботу під час перебування на посаді доктора наук Марії-Кюрі в групі професора Лі Світлоува в Оксфорді, сказала: «Моделювання — потужний інструмент для дослідження складних систем, і воно дає розуміння, яке може допомогти в лабораторних і польових дослідженнях. Я вірю, що наші результати послужать натхненням для дослідників, які прагнуть передати водозберігаючі властивості рослин CAM іншим видам».

Використовуючи моделювання в великому діапазоні температур і умов відносної вологості, автори дослідження поставили собі питання: чи буде фотосинтез CAM або альтернативні методи економії води більш продуктивними в умовах, де зазвичай вирощуються культури, що використовують C3-фотосинтез?

Вони виявили, що вакуумна ємність листка є основним чинником, що обмежує ефективність використання води під час фотосинтезу CAM. Також вони з’ясували, що умови навколишнього середовища формують виникнення різних фаз циклу CAM. Математичне моделювання дозволило виявити альтернативний цикл САМ, який включає мітохондріальну ізоцитратдегідрогеназу як потенційний фактор початкової фіксації вуглецю в нічний час.

Їх результати показали не тільки те, що водозберігаючий потенціал фотосинтезу САМ сильно залежить від навколишнього середовища (причому денне середовище більш важливе, ніж нічне). Також вчені відзначили, що альтернативні метаболічні режими, відмінні від природного циклу САМ, можуть бути корисні при певних умовах. Наприклад, в більш короткі дні з менш екстремальними температурами. Висновки вчених допоможуть людству підготуватися до вирощування продовольчих культур в усе більш жарких і сухих кліматичних умовах.

Натхнення: hightech.fm

Кнопка «Наверх»