Как появились засухоустойчивые злаки

Злаки — семейство растений, включающее пшеницу, овёс, кукурузу и рис — обеспечивают нас многими продуктами. Некоторые злаки, такие как кукуруза и сахарный тростник, эволюционировали уникальный способ получения энергии от солнца, который более эффективен в жарких и засушливых условиях. Новое филогенетическое древо злаков показывает, как появился этот тип фотосинтеза.

Результаты могут однажды помочь учёным создать более засухоустойчивые зерновые культуры.

Семейство злаков насчитывает более 10 000 видов. Как и все растения, злаки используют фотосинтез. Но они применяют две стратегии, различающиеся по способу поглощения углекислого газа из воздуха. Большинство злаков используют путь C3, но многие виды, особенно в жарком климате, используют альтернативный путь C4. В жарких и засушливых условиях C4-злаки, такие как кукуруза, сахарный тростник, сорго и просо, имеют преимущество перед C3-растениями, потому что используют воду эффективнее.

Международная команда исследователей хотела выяснить, сколько раз и когда возникла C4-стратегия. Для этого они использовали данные последовательностей ДНК трёх хлоропластных генов, чтобы реконструировать семейное древо злаков. Полученная филогения представляет 531 вид, включая 93 вида, данные ДНК для которых ранее были недоступны.

Результаты показывают, что путь C4 эволюционировал у злаков более чем в 20 отдельных случаях за последние примерно 30 миллионов лет.

Самое удивительное, что эволюция C4, по-видимому, является односторонним процессом — после возникновения пути возврата назад не происходит.

Новое древо будет чрезвычайно полезно для исследователей. Например, учёные пытаются внедрить C4-фотосинтез в C3-культуры, такие как рис, чтобы создать более устойчивые к стрессу растения. Эволюционные связи, выявленные в этом исследовании, помогут определить тесно связанные пары видов C3 и C4 и генетические изменения, необходимые для такой трансформации.

Следующая задача — ввести эти виды в культуру, изучить их и, в идеале, секвенировать их геномы.

Результаты опубликованы в журнале New Phytologist.