Выдающиеся способности некоторых растений к фотосинтезу становятся ключом к созданию культур, устойчивых к изменению климата, и работа уже идет – рис с путем фотосинтеза С3 обновляют до версии С4.
Более 3 миллиардов лет назад на Земле, полностью покрытой водой, фотосинтез впервые возник у древних бактерий. В последующие миллионы лет эти бактерии эволюционировали в растения, оптимизируя себя по пути к различным изменениям окружающей среды.
Эта эволюция около 30 миллионов лет назад обогатилась появлением нового, лучшего способа фотосинтеза. В то время как такие растения, как рис, продолжали использовать старую форму фотосинтеза, известную как C3, другие, такие как кукуруза и сорго, разработали более новую и эффективную версию, называемую C4.
В настоящее время существует более 8000 различных видов растений C4, которые особенно хорошо растут в жарком сухом климате и являются одними из самых продуктивных видов сельскохозяйственных культур в мире. Однако подавляющее большинство растений по-прежнему работают на фотосинтезе C3. Так как же появились растения C4, и могут ли растения C3 когда-либо получить подобное обновление?
Теперь впервые ученые из Института Солка и их коллеги из Кембриджского университета обнаружили ключевой шаг, который необходимо было сделать растениям C4, таким как сорго, чтобы стать настолько эффективными в фотосинтезе, и то, как мы можем использовать эту информацию, чтобы сделать такие культуры, как рис, пшеница и соя, более продуктивными и устойчивыми к нашему потеплению климата. Результаты опубликованы в журнале Nature 20 ноября 2024 года.
«Вопрос о том, что отличает растения C3 и C4, важен не только с базовой биологической точки зрения, чтобы узнать, почему что-то эволюционировало и как это функционирует на молекулярном уровне, - говорит профессор Джозеф Экер, старший автор исследования, председатель Международного совета Института Солка по генетике и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. - Ответ на этот вопрос - огромный шаг к пониманию того, как мы можем выращивать максимально устойчивые и продуктивные культуры в условиях изменения климата и роста населения планеты».
Около 95% растений используют фотосинтез C3, при котором клетки мезофилла - зеленые губчатые клетки, живущие внутри листьев - превращают свет, воду и углекислый газ в питательные для растений сахара.
Несмотря на свою широкую распространенность, фотосинтез C3 имеет два основных недостатка:
В 20% случаев кислород случайно используется вместо углекислого газа и должен быть переработан, что замедляет процесс и приводит к потере энергии;Поры на поверхности листьев открываются слишком часто в ожидании поступления углекислого газа, в результате чего растение теряет воду и становится более уязвимым к засухе и жаре.К счастью, эволюция решила эти проблемы с помощью фотосинтеза C4. Растения C4 привлекают клетки обкладки пучка, которые обычно служат опорой жилок листа, для фотосинтеза вместе с клетками мезофилла. В результате растения C4 устраняют эти ошибки использования кислорода, чтобы экономить энергию и чаще держать поры поверхности растения закрытыми, чтобы экономить воду. Результатом является 50%-ное увеличение эффективности по сравнению с растениями C3.
Но на молекулярном уровне, что заставило растения C3 превратиться в растения C4? И могут ли ученые побудить культуры C3 стать культурами C4?
Чтобы ответить на эти вопросы, ученые Института Солка использовали передовую технологию геномики отдельных клеток, чтобы изучить разницу между рисом C3 и сорго C4. В то время как предыдущие методы были слишком неточными, чтобы различать соседние клетки, такие как клетки мезофилла и обкладки пучка, геномика отдельных клеток позволила команде исследовать генетические и структурные изменения в каждом типе клеток обоих растений.
«Мы были удивлены и взволнованы, обнаружив, что разница между растениями C3 и C4 заключается не в удалении или добавлении определенных генов, - говорит Экер. - Скорее, разница находится на уровне регулирования, что может облегчить нам в долгосрочной перспективе включение более эффективного фотосинтеза C4 в культурах C3».
Все клетки организма содержат одни и те же гены, но то, какие гены экспрессируются в данный момент времени, определяет идентичность и функцию каждой клетки.
Один из способов изменения экспрессии генов - это активность факторов транскрипции. Эти белки распознают и связываются с небольшими участками ДНК вблизи генов, называемыми регуляторными элементами. Оказавшись в регуляторном элементе, фактор транскрипции может помочь включить или выключить близлежащие гены.
При измерении экспрессии генов в растениях риса и сорго ученые обнаружили, что семейство факторов транскрипции, обычно называемых DOF, отвечает за включение генов для создания клеток обкладки пучка у обоих видов. Они также заметили, что DOF связываются с одним и тем же регуляторным элементом у обоих видов.
Однако в растениях сорго C4 этот регуляторный элемент был связан не только с генами идентичности обкладки пучков - он также включал гены фотосинтеза. Это предполагает, что растения C4 в какой-то момент прикрепили предковые регуляторные элементы для генов обкладки пучков к генам фотосинтеза, так что DOF включали оба набора генов одновременно. Это могло бы объяснить, как клетки обкладки пучков в растениях C4 приобрели способность к фотосинтезу.
Эти эксперименты показали, что растения C3 и C4 содержат необходимые гены и факторы транскрипции, требующиеся для более совершенного процесса фотосинтеза C4, — многообещающее открытие для ученых, надеющихся подтолкнуть растения C3 к использованию фотосинтеза C4.
«Теперь у нас есть схема того, как разные растения используют энергию солнца, чтобы выживать в разных условиях, - говорит Джозеф Свифт, соавтор исследования и научный сотрудник-постдокторант в лаборатории Экера. - Конечная цель — попытаться включить фотосинтез C4 и, в свою очередь, создать более продуктивные и устойчивые культуры для будущего».
Следующим пунктом в списке задач команды является определение того, можно ли спроектировать рис для использования фотосинтеза C4 вместо C3. Это остается очень долгосрочной целью со значительными техническими проблемами, которые решаются глобальными совместными усилиями, известными как «Проект риса C4».
В ближайшем будущем результаты исследования будут использованы в рамках Инициативы Института Солка по выращиванию растений (Salk Harnessing Plants Initiative) для создания оптимизированных сельскохозяйственных культур, которые одновременно борются с угрозой изменения климата и противостоят ей. Их данные по геномике отдельных клеток также стали доступны ученым по всему миру, что быстро вызвало интерес к ответам на эту давнюю загадку эволюции.
Источник и фото: Salk Institute. На фото слева направо: Джозеф Экер и Джозеф Свифт.