Гены засухоустойчивых растений могут ускорить эволюцию водоэффективных культур

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США идентифицировали общий набор генов, позволяющий различным засухоустойчивым растениям выживать в полузасушливых условиях. Это открытие может сыграть значительную роль в биоинженерии и создании энергетических культур, толерантных к дефициту воды.

Растения процветают в засушливых зонах, закрывая свои устьица (поры) днем для сохранения воды и открывая их ночью для поглощения углекислого газа. Эта форма фотосинтеза, известная как кислотный метаболизм толстянковых (CAM), эволюционировала миллионы лет, формируя водо-сберегающие характеристики у таких растений, как каланхоэ, орхидеи и ананас.

«CAM — это доказанный механизм повышения эффективности использования воды растениями», — сказал соавтор исследования Сяохань Ян. — «По мере того как мы раскрываем строительные блоки, составляющие CAM-фотосинтез, мы сможем биоинженерным путем модифицировать метаболические процессы влаголюбивых культур, таких как рис, пшеница, соя и тополь, чтобы ускорить их адаптацию к условиям с ограниченным водоснабжением».

Для этой работы команда под руководством ORNL секвенировала геном Kalanchoë fedtschenkoi — перспективной модели для геномных исследований CAM из-за относительно небольшого генома и пригодности к генетической модификации.

Команда исследовала и сравнила геномы K. fedtschenkoi, Phalaenopsis equestris (орхидея) и Ananas comosus (ананас) с помощью суперкомпьютера Titan.

Ученые идентифицировали 60 генов, которые демонстрировали конвергентную эволюцию у CAM-видов. Это включало сходные дневные и ночные изменения в экспрессии 54 генов, а также конвергенцию в аминокислотной последовательности белков для шести генов. В частности, команда обнаружила новый вариант фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы (PEPC). PEPC — важный «рабочий» фермент, ответственный за ночную фиксацию углекислого газа в малат (яблочную кислоту), который затем днем преобразуется обратно в CO₂ для фотосинтеза.

«Эти конвергентные изменения в экспрессии генов и белковых последовательностях можно внедрить в растения, использующие традиционный фотосинтез, ускорив их эволюцию в сторону большей эффективности использования воды», — отметил Ян. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Рациональное использование воды

Производство сельскохозяйственных культур — крупнейший потребитель пресной воды в мире. Доступность чистых водных ресурсов сокращается из-за урбанизации, роста населения и изменений климата.

Инженерия CAM-фотосинтеза в пищевых и энергетических культурах могла бы сократить водопотребление в сельском хозяйстве и повысить устойчивость культур при недостатке воды.

«Изучение генома водоэффективных растений также может дать представление о способности растения использовать слабосоленую воду и поддерживать рост при более высокой температуре и меньшей доступности чистой воды», — сказал соавтор Джерри Таскан. — «Если мы сможем идентифицировать механизмы эффективности использования воды, мы сможем перенести этот признак в агрономические растения, подавать непригодную для питья воду для их орошения и сохранять чистую воду для питья».