Агава - похожее на кактус растение, которое является основным ингредиентом текилы - имеет ночные «биологические часы», которые позволяют ему «дышать» ночью и выдерживать самые засушливые условия, как показало новое исследование.
Теперь ученые надеются использовать эти обратные молекулярные часы для создания новых засухоустойчивых культур, которые смогут адаптироваться к нашему будущему изменяющемуся климату.
Публикуя свои выводы в журнале Nature Plants этого месяца, команда из Университета Ньюкасла, Великобритания, и Национальной лаборатории Ок-Ридж, штат Теннесси, впервые раскрывают, как устьица или «дышащие» поры на листьях агавы закрываются в течение дня, чтобы свести к минимуму потери воды.
Процесс противоположен тому, что происходит у большинства растений, которые держат устьица открытыми в течение дня, чтобы они могли поглощать углекислый газ и использовать солнечный свет для фотосинтеза. Однако это также означает, что они быстро теряют воду в результате испарения.
Профессор Университета Ньюкасла Энн Борланд, один из авторов исследования, объясняет:
Для фотосинтеза необходимы три ключевых ингредиента - CO2, вода и солнечный свет - отсюда следует, что большинство растений держат устьица открытыми днем, когда солнечно, и закрыты ночью. когда темно.
Но для растений, живущих в жарких и засушливых условиях, таких как агава, это было бы катастрофой. Им нужно сохранять каждую каплю воды, которую они могут, и оставлять устьица открытыми в течение дня, что приведет к такой быстрой воде. они просто умрут.
В этом исследовании мы показали, что в так называемых САМ-растениях - растениях с толстянковым кислотным метаболизмом, таких как агава, - несколько генов, контролирующих открытие устьиц, изменили свое расписание или «перевернули» их количество. от более обильного днем до более обильного ночью.
Храня углерод из CO2, поглощенного в течение ночи, растения фотосинтезируют днем, как и другие растения, но способны выполнять этот процесс, не открывая устьиц.
"Если мы сможем использовать эти гены и создать новые засухоустойчивые растения, тогда у нас будет огромный потенциал для выращивания сельскохозяйственных культур и биотоплива, способных противостоять вызовам, с которыми мы сталкиваемся из-за меняющегося климата".
Установки CAM
Метаболизм крассуловой кислоты (CAM) был впервые открыт учеными из Университета Ньюкасла в 1950-х годах и представляет собой фотосинтетическую адаптацию, обнаруженную примерно у 7% видов растений.
Производя большое количество крахмала и сахара в районах, где вода ограничена, давно признано, что если мы сможем использовать свойства растений CAM, они могут проложить путь к новым биотопливным культурам для производства биоэтанола.
Агава родом из жарких и засушливых регионов Мексики и юго-запада США. Хорошо известный как основной ингредиент текилы, нектар агавы в настоящее время широко продается как альтернатива сахару.
Секвенируя тысячи генов и белков, чтобы понять лежащие в основе метаболические процессы, команда сравнила агаву, или САМ, с арабидопсисом, типом кресс-салата и типичным растением C3.
Они обнаружили, что хотя оба растения имеют одинаковый набор генов и белков, в течение 24 часов определенные гены «включались» в разное время.
«Растения эффективно перепрограммировали себя, чтобы приспособиться к окружающей среде», - объясняет профессор Борланд из Школы биологии Университета Ньюкасла.
Поскольку оба типа растений имеют схожий генетический состав, мы надеемся, что можно будет превратить растения C3 в растения CAM, просто найдя правильные триггеры.
"Это действительно захватывающее открытие и крупный прорыв в нашем стремлении создать новые растения, способные выжить в нашей будущей среде."
Исследование является частью исследовательской программы стоимостью 14 миллионов долларов, финансируемой Программой геномных исследований Министерства энергетики. В настоящее время команда работает над пятилетним проектом уже четыре года.