Моделирование эволюционного развития C4-фотосинтеза

Исследователи успешно изучили факторы, способствовавшие эволюции C4-фотосинтеза — признака, который «усиливает» фотосинтез и независимо возникал более 62 раз. Для этого они использовали моделирование на основе ограничений (constraint-based modeling, CBM). Работа была совместным проектом Университета Билефельда и IPK в Гатерслебене. Результаты опубликованы в eLife.

Исследование демонстрирует потенциал компьютерного моделирования для изучения эволюционных процессов. Учёные применили CBM, чтобы «вернуться в прошлое» и предсказать эволюционный путь C4-фотосинтеза.

Почему возник C4-фотосинтез?

• Самый распространённый тип фотосинтеза у растений — C3. Он зависит от фермента Rubisco, который фиксирует CO₂. Однако Rubisco работает медленно и неспецифично: вместо CO₂ он может фиксировать кислород, что приводит к образованию токсичных побочных продуктов.
• Чтобы избежать этого, растения развили альтернативные типы фотосинтеза. C4-фотосинтез независимо эволюционировал как минимум 62 раза в 19 семействах цветковых растений.
• Растения с C4-признаком используют биохимическую «помпу» для увеличения концентрации CO₂ в месте работы Rubisco, что интенсифицирует фиксацию углерода. Благодаря этому C4-растения (например, кукуруза) отличаются высокими темпами роста.

Метод и результаты моделирования

CBM позволяет применять различные физические, ферментативные и топологические ограничения при моделировании метаболических сетей. Это даёт возможность делать прогнозы для разных сценариев и видеть возможные эволюционные пути.

Разработав C4-CBM-модель, учёные — профессор Андреа Бройтигам (Университет Билефельда) и доктор Мэри-Энн Блетке (IPK) — выявили ограничения, при которых C4-фотосинтез предсказывается как оптимальное решение.

Ключевые выводы:

• Проф. А. Бройтигам: «Симуляции воспроизвели эволюционную траекторию от C3 к C4 фотосинтезу, которая зависела от уровня углекислого газа».
• Д-р М.-Э. Блетке: «Модель также предсказывает промежуточные состояния как оптимальное решение в определённых условиях и объясняет, почему могут существовать разные варианты C4-фотосинтеза. Она также выдвигает на первый план азот и свет как новые эко-физиологические параметры, играющие роль в эволюции C4».

Значение исследования

• CBM доказал свою эффективность как инструмент для изучения эволюции других сложных признаков у растений.
• Успешный анализ эволюции C4 прокладывает путь для более детального исследования её метаболизма и указывает новые цели для будущей селекции и генной инженерии C4-сельхозкультур.
• Д-р М.-Э. Блетке: «Метаболическая сеть, правильно предсказывающая траекторию эволюции C4, является необходимым условием для решения более детальных вопросов. Её можно использовать как рабочую лошадку для последующих исследований и как интегративную основу для мульти-омных данных».