Ученые из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики определили общий набор генов, которые позволяют различным засухоустойчивым растениям выживать в полузасушливых условиях, что может сыграть важную роль в биоинженерии и создании энергетических культур, которые устойчивы к дефициту воды.
Растения процветают в засушливых районах, держа свои устьица, или поры, закрытыми в течение дня для сохранения воды и открытыми ночью для сбора углекислого газа. Эта форма фотосинтеза, известная как метаболизм крассуловой кислоты или САМ, развивалась в течение миллионов лет, создавая водосберегающие свойства у таких растений, как каланхоэ, орхидея и ананас.
«CAM - это проверенный механизм повышения эффективности использования воды растениями», - сказал соавтор ORNL Сяохан Ян. «Поскольку мы раскрываем строительные блоки, из которых состоит фотосинтез САМ, мы сможем биоинженерно управлять метаболическими процессами водоемких культур, таких как рис, пшеница, соя и тополь, чтобы ускорить их адаптацию к среде с ограниченным количеством воды».
Ученые изучают различные засухоустойчивые растения, чтобы раскрыть тайну фотосинтеза САМ. Для этой работы группа под руководством ORNL секвенировала геном каланхоэ федщенкои, новой модели для исследования геномики САМ из-за ее относительно небольшого генома и возможности генетической модификации.
Команда исследовала и сравнила геномы K. fedtschenkoi, Phalaenopsis equestris (орхидея) и Ananas comosus (ананас) с помощью суперкомпьютера ORNL Titan.
«Широко признано, что некоторые неродственные растения проявляют сходные характеристики в сходных условиях окружающей среды. Этот процесс известен как конвергентная эволюция», - сказал Ян.
Они идентифицировали 60 генов, которые демонстрировали конвергентную эволюцию у видов CAM, включая конвергентные дневные и ночные изменения экспрессии генов в 54 генах, а также конвергенцию белковых последовательностей в шести генах. В частности, команда обнаружила новый вариант фосфоенолпируваткарбоксилазы, или PEPC. PEPC является важным «рабочим» ферментом, ответственным за ночную фиксацию углекислого газа в яблочную кислоту. Затем яблочная кислота снова превращается в углекислый газ для фотосинтеза в течение дня.
«Эти конвергентные изменения в экспрессии генов и последовательностях белков могут быть введены в растения, которые полагаются на традиционный фотосинтез, ускоряя их эволюцию, чтобы стать более эффективными в использовании воды», - сказал Ян. Команда опубликовала свои выводы в Nature Communications..
Умное использование воды
Растениеводство является крупнейшим в мире потребителем пресной воды. Наличие ресурсов чистой воды сокращается из-за урбанизации, роста населения и изменений климата, что создает проблемы для создания оптимальных условий выращивания.
Чтобы решить эту проблему, внедрение фотосинтеза CAM в пищевые и энергетические культуры может сократить использование воды в сельском хозяйстве и повысить устойчивость сельскохозяйственных культур, когда водоснабжение меньше желаемого.
«Изучение генома водосберегающих растений может также дать представление о способности растения использовать слегка соленую воду и поддерживать рост при более высокой температуре и меньшей доступности чистой воды», - сказал Джерри Тускан, соавтор и главный исполнительный директор Центр инноваций в области биоэнергетики под руководством ORNL. «Если мы сможем определить механизмы эффективности использования воды, мы сможем перенести эту черту в сельскохозяйственные растения, подавать непитьевую воду для орошения этих растений и сохранять чистую воду для питья».
В исследовании под названием «Геном каланхоэ дает представление о конвергентной эволюции и строительных блоках метаболизма крассуловой кислоты» приняли участие соавторы ORNL Сяохан Ян, Ронгбинь Ху, Хэнфу Инь, Дегао Лю, Дебора Вейхилл, Роберт Мозли, Сара Джоди., Чжихао Чжан, Мэн Се, Пол Абрахам, Ритеш Мевалал, Кейтлин Палла, Энрике Сестари Де Паоли, Энн Борланд, Цзинь-Гуй Чен, Веллингтон Мучеро, Дэниел Джейкобсон, Тимоти Чаплински, Роберт Хеттич и Джерри Тускан.
В исследовании также приняли участие сотрудники из Университета Теннесси, Института биотехнологии HudsonAlpha, Объединенного института генома Министерства энергетики, Фуцзяньского университета сельского и лесного хозяйства, Университета Невады, Университета Джорджии, Университета Северного Иллинойса, Ливерпульского университета, Университета Оксфорд, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, Pacific Biosciences, Inc., Мичиганский государственный университет, Ньюкаслский университет и Смитсоновский институт тропических исследований.
Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики (биологические и экологические исследования, программа геномных наук) и программой исследований и разработок ORNL. В работе также использовались ресурсы Compute and Data Environment for Science в ORNL, полностью интегрированная инфраструктура, предлагающая масштабируемые вычисления, поддержку программного обеспечения и высокопроизводительные облачные службы хранения, а также Oak Ridge Leadership Computing Facility, который является службой DOE Office of Science User Facility..