Африканские акации «идут ва-банк» для роста и выживания в засуху
Молодые зонтичные акации в Африке переживают сильную засуху, переключая свои естественные процессы на максимальную активность при нехватке воды, отдавая приоритет продолжению роста над сохранением влаги.
Это первое геномное исследование африканских акаций, сфокусированное на зонтичной акации (Vachellia tortilis) — знаковом дереве саванны. Учёные сравнили её генетический ответ на засуху с ответом родственного вида — великолепной колючей акации (Vachellia robusta), которая чаще встречается во влажных регионах Восточной Африки.
Результаты показали, что при дефиците воды зонтичная акация продолжает фотосинтез, используя всю доступную влагу для преобразования CO2 и воды в питательные вещества.
«Можно было ожидать, что большинство растений при водном стрессе замедлят процессы, но на ранней стадии засухи зонтичные акации, наоборот, усиливают активность — они идут ва-банк», — говорит старший автор Джеймс Пиз.
«Великолепная акация больше похожа на водного сберегателя — она удерживает воду и почти не растёт. Зонтичная акация делает противоположное — пытается расти больше, больше фотосинтезировать и накапливать углерод. Когда становится ясно, что воды не будет долго, она позволяет надземной биомассе отмереть и ждёт следующего сезона», — пояснил он.
Исследование опубликовано в The Plant Journal.
Зонтичные акации — ключевой корм для жирафов, источник древесины и пищевой добавки гуммиарабика, а также представители семейства бобовых. Понимание генетических основ их засухоустойчивости на клеточном уровне важно, учитывая множество стрессов: поедание животными, конкуренция с травами, пожары.
В эксперименте сеянцы обоих видов выращивали в лаборатории три месяца, а затем разделили на две группы: с нормальным поливом и с полным его прекращением. Листья собирали еженедельно, а для геномного анализа отбирали образцы, представляющие раннюю фазу засухи, спад здоровья деревьев и сильную засуху.
Для сравнения реакции видов учёные секвенировали их транскриптомы — совокупность РНК, отражающую активность генов и связанные с ней изменения белков по всему геному. Эта фаза рассады — критический период выживания.
Исследователи полагают, что зонтичные акации годами поддерживают стратегию интенсивного сбора питательных веществ и отмирания надземной части, развивая при этом огромную корневую массу.
«Если выкопать маленький сеянец акации, у него будут корни, как у целого дерева. И как только он получит нужное сочетание воды и питательных веществ, у него уже есть корневая система, чтобы поддержать целое дерево», — отмечает Пиз.
«Это та же стратегия, что у трав. Они поддерживают корни, ждут воды и пытаются снова — это видно на высохших газонах. Интересно, что так ведут себя травы, а не большинство других травянистых растений или деревьев».
В отличие от этого, великолепная акация вела себя более ожидаемо для дерева в условиях засухи: инвестировала в сохранение воды и поддержание клеточных функций, пережидая неблагоприятный период.
Анализ транскриптома показал, что оба вида используют схожие генетические системы для регуляции фотосинтеза и поддержания стабильности во время засухи, но активируют эти системы разными наборами генов и в разные сроки.
Метод также выявил, что эти генетические различия в реакции на засуху не были вызваны генетическими мутациями — изменениями последовательностей, которые эволюционные биологи традиционно отслеживают.
«Генные последовательности и экспрессия генов не обязательно меняются вместе. Гены, дифференциально экспрессируемые в ответ на засуху, не обязательно имеют изменения последовательности, что показывает независимость этих двух механизмов», — говорит первый автор Эллен Вайнхаймер.
В лаборатории Пиз изучают, как изменения экспрессии генов и их последовательностей взаимодействуют в растениях, животных и других системах.
«Мы накладываем данные об изменении уровней экспрессии генов у разных видов. В эволюционном масштабе мы видим, что экспрессия так же важна, как и мутации, поскольку мутация в одном гене может повлиять на экспрессию другого. Это открывает нам совсем другие вещи, чем если бы мы смотрели только на мутации».