В рамках усилий по разработке засухоустойчивых пищевых и биоэнергетических культур ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики обнаружили генетические и метаболические механизмы, которые позволяют определенным растениям экономить воду и процветать в полузасушливых условиях. климат.
Полузасушливые растения, такие как агава, приспособились к выживанию в районах с небольшим количеством осадков, развив особый режим фотосинтеза, называемый метаболизмом крассуловой кислоты, или CAM. В отличие от растений, живущих в более влажной среде, САМ-растения поглощают и накапливают углекислый газ через открытые поры листьев ночью, когда вероятность испарения воды меньше. В течение дня поры, также называемые устьицами, остаются закрытыми, в то время как растение использует солнечный свет для преобразования углекислого газа в энергию, сводя к минимуму потерю воды.
Ученые ORNL изучают уникальные метаболические механизмы, которые позволяют САМ-растениям экономить воду, с целью внедрить водосберегающие свойства в биоэнергетические и продовольственные культуры. Результаты последнего исследования группы, посвященного агаве, опубликованы в журнале Nature Plants.
Процесс фотосинтеза САМ, обнаруженный в 1950-х годах, в значительной степени оставался научной диковинкой, но сейчас исследователи изучают его как потенциальное решение для поддержания урожайности пищевых и биоэнергетических культур во время нехватки воды и засухи.
«Сегодняшний спрос на сельскохозяйственные системы для производства продовольствия, кормов, фуража, волокна и топлива требует более всесторонних исследований для понимания сложностей растений CAM», - сказал соавтор ORNL Сяохан Ян.«По мере того, как мы раскрываем каждый слой процесса CAM, наши исследования направлены на ускорение эволюции сельскохозяйственных культур, чтобы дать им возможность процветать в более засушливой среде, поскольку доступность пресной воды становится ограниченной».
Чтобы получить всестороннее представление о сложной системе CAM, команда использовала масс-спектрометрию ORNL для сравнения молекулярных характеристик агавы с контрольным растением, арабидопсисом, в котором используется более распространенный процесс фотосинтеза.
Команда оценила генетическое поведение, которое сигнализирует о движении устьиц у каждого растения в течение одного и того же 24-часового периода. Их исследование показало, что время дневной и ночной активности устьиц значительно различается между агавой и арабидопсисом. Исследование также определило, какие генетические и метаболические механизмы сигнализируют растениям САМ об открытии и закрытии устьиц. Понимание синхронизации этих сигналов будет ключом к переносу процессов CAM на такие культуры, как рис, кукуруза, тополь и просо.
"Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, как этот молекулярный хронометраж регулирует САМ, но результаты этого исследования позволяют по-новому взглянуть на сложность биодизайна САМ, показывая комплексное понимание САМ на молекулярном уровне", Джеральд Тускан, ORNL Corporate Fellow и соавтор, сказал.«Перенос молекулярного оборудования CAM на энергетические культуры облегчит их размещение на малоплодородных землях и одновременно снизит конкуренцию с продовольственными культурами».