Гены, обнаруженные в засухоустойчивых растениях, могут ускорить эволюцию эффективных сельскохозяйственных культур

 

Ученые из Национальной лаборатории Oak Ridge Департамента энергетики штата Оук-Ридж идентифицировали общий набор генов, которые позволяют различным засухоустойчивым растениям выживать в полузасушливых условиях. Открытие может сыграть важную роль в биоинженерии для создания агрокультур, терпимых к дефициту воды.

Растения, произрастающие в засушливых районах, умеют управлять своими устьицами или порами, закрывая их днем для экономии влаги и открывая 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 каланхоэ, орхидея и ананас. 

фотосинтез САМ

«CAM является проверенным механизмом повышения эффективности использования воды в растениях, - сказал соавтор научной работы Сяохан Ян.  - Когда мы определим гены, ответственные за фотосинтез CAM, мы сможем биоинженерировать метаболические процессы у водолюбивых культур, таких как рис, пшеница или соя, чтобы ускорить их адаптацию к засушливым условиям» .

фотосинтез САМ

Исследовательская группа определила 60 генов, которые проявили конвергентную эволюцию в разновидностях метаболизма крассулацеиновой кислоты, включая новый вариант «рабочего» фермента, критически важный для эффективности использования САМ.

Ученые продолжают изучать различные засухоустойчивые растения, чтобы разгадать тайну фотосинтеза САМ. Для этой работы команда упорядочила геном каланхоэ Федченко, являющийся новой моделью исследования из-за относительно небольшого генома и способности к генетической модификации. 

Команда исследовала и сравнила геномы каланхоэ Федченко, фаленопсиса наездника и ананаса, используя суперкомпьютер «Титан» ORNL. «Известно, что некоторые несвязанные между собой растения проявляют сходные характеристики в аналогичных условиях окружающей среды. Этот процесс называется конвергентная эволюция», - сказал Ян. 

Ученые идентифицировали 60 генов, которые демонстрировали конвергентную эволюцию в CAM-видах, включая сходящиеся дневные и ночные изменения экспрессии генов в 54 генах, а также конвергенцию последовательности белка в шести генах. 

В частности, команда обнаружила новый вариант фосфоенолпируваткарбоксилазы (PEPC). PEPC является важным «рабочим» ферментом, ответственным за ночную фиксацию двуокиси углерода в яблочной кислоте, которой превращается обратно в диоксид углерода для фотосинтеза в течение дня.

«Эти конвергентные изменения в экспрессии генов и последовательности белка могут быть введены в растения с традиционным фотосинтезом, что ускорит их эволюцию и сделает культуры более эффективными в использовании воды», - отметил Ян. Свое исследование команда ученых опубликовала в  Nature Communications . 

 

Умное использование воды

 

Производство сельскохозяйственных культур 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 растениеводов и их культур. Биоинженерия фотосинтеза CAM в важных продовольственных культурах помогла бы сократить использование пресной воды в сельскохозяйственных целях и выращивать агрокультуры в засушливых регионах.

«Изучение генома водосберегающих растений может также дать представление об их способности использовать слегка подсоленую воду и возможности поддерживать рост при более высокой температуре и при более низкой доступности чистой воды, - сказал Джерри Тускан, соавтор исследования и главный исполнительный директор Центра инноваций в области биоэнергетики, - Если мы сможем определить механизмы эффективного использования воды, мы можем поставлять производителям растений «непищевую» воду для выращивания, а чистую воду сэкономить для людей».

Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США и Программой исследований и разработок, которую осуществляет лаборатория ORNL. (Источник: news.agropages.com).