Учёные Венского университета выяснили, как у тропических деревьев рода Clusia неоднократно формировался особый тип фотосинтеза, позволяющий экономить воду. Для этого исследователи под руководством Вольфрама Векверта сравнили геномы трёх видов и сопоставили полученные данные с особенностями их жизнедеятельности. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications, сообщает ScienceDaily.
К фотосинтезу с кислотным метаболизмом крассуловых (CAM) учёные проявляли интерес ещё около 200 лет назад. Примерно в 1800 году Александр фон Гумбольдт заметил, что лист тропического дерева, помещённый в воду, не выделял на свету пузырьки кислорода. Причина связана с суточным ритмом растения: днём устьица закрыты, чтобы уменьшить испарение, а ночью растение поглощает углекислый газ, связывает его и запасает в форме яблочной кислоты.
Для анализа специалисты выбрали Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major, поскольку эти виды используют CAM по-разному. Род Clusia особенно важен для таких исследований: в него входят единственные известные деревья с этим типом фотосинтеза, а его представители демонстрируют переход от обычного фотосинтеза C3 до выраженного CAM. Это позволяет проследить, как растения меняют способы поглощения углерода.
Генетическое исследование показало, что все три вида являются древними полиплоидами, то есть в прошлом их геномы удвоились или умножились. Затем на протяжении миллионов лет генетический материал перестраивался: отдельные копии генов исчезали, отключались либо приобретали новые функции. «В процессе копии генов теряются, деактивируются или получают новые функции», — объяснил ведущий автор работы Ханнес Краммл из Венского университета.
Особенно заметно эти изменения затронули гены, связанные с ночным запасанием углекислого газа. «Гены, имеющие ключевое значение для ночного хранения CO2 в CAM-метаболизме, особенно подвержены этому воздействию», — добавил второй ведущий автор Йоханнес Херпелл. Руководитель исследования Вольфрам Векверт отметил: «Геномы не просто умножились; на протяжении миллионов лет они перестраивались, сокращались и функционально перепрограммировались. Эта огромная пластичность объясняет физиологическое разнообразие CAM в роде Clusia».
Наблюдения в условиях, близких к естественным, подтвердили различия между видами. Clusia rosea активно использует CAM и ночью накапливает значительные объёмы углекислого газа в виде яблочной кислоты, Clusia minor включает этот механизм главным образом при неблагоприятных условиях, а Clusia major сочетает фотосинтез C3 с CAM. Авторы считают, что такая водосберегающая стратегия возникала у Clusia не один раз, а формировалась через повторные перестройки генома. Полученные сведения могут помочь изучить процессы эффективного связывания CO2 и создать сельскохозяйственные культуры, способные лучше переносить засушливый климат.