Ученые из Университета Ливерпуля открыли новое понимание механизмов, которые позволяют определенным растениям экономить воду и переносить засуху.
Исследование, опубликованное в журнале The Plant Cell, может быть использовано для выращивания новых культур, которые могут расти в ранее негостеприимных, жарких и засушливых регионах по всему миру.
Засухоустойчивые растения, такие как кактусы, агавы и суккуленты, используют усиленную форму фотосинтеза, известную как метаболизм крассуловой кислоты, или CAM, для минимизации потери воды.
Фотосинтез включает в себя поглощение углекислого газа из атмосферы для преобразования в сахара с помощью солнечного света. В отличие от других растений, САМ-растения способны поглощать CO2 в более прохладную ночь, что снижает потери воды, и сохранять уловленный CO2 в виде яблочной кислоты. кислоты внутри клетки, что позволяет использовать ее для фотосинтеза без потери воды в течение следующего дня.
Фотосинтез
CAM регулируется внутренними циркадными часами растения, что позволяет растениям различать и опережать день и ночь и соответствующим образом регулировать свой метаболизм. Однако относительно мало известно о точных молекулярных процессах, лежащих в основе оптимального времени хранения и высвобождения CO2 таким уникальным образом..
Группа исследователей из Института интегративной биологии Университета изучила интересующий фермент под названием PPCK, который участвует в контроле превращения CO2 в форму, хранящуюся в течение ночи (яблочная кислота; фруктовая кислота, придающая яблокам острый вкус) и обратно. Они хотели узнать, является ли PPCK необходимым компонентом для инженерии фотосинтеза CAM, и проверили это, отключив ген PPCK в суккулентном CAM-растении Kalanchoë fedtschenkoi.
Они обнаружили, что для правильной работы CAM клетки должны включать PPCK каждую ночь, управляемую их внутренними циркадными часами. Когда они помешали каланхоэ производить PPCK ночью, растения могли улавливать только треть CO2, улавливаемого нормальными растениями.
Кроме того, они обнаружили, что растения, которые не могли вырабатывать PPCK каждую ночь, имели изменения в своих циркадных часах, что является удивительным открытием, которое предполагает, что метаболиты, связанные с CAM, передают информацию о времени суток в центральный хронометр растения.
Д-р Джеймс Хартвелл прокомментировал: «Засуха является ключевой причиной глобальных потерь урожая, поэтому понимание механизмов, которые эволюционировали у некоторых растений, адаптированных к пустыне, чтобы выжить в условиях водного стресса, имеет жизненно важное значение для разработки улучшенной засухоустойчивости сельскохозяйственных культур.
"Наша работа демонстрирует, что продолжающиеся усилия по организации фотосинтеза CAM в других растениях должны будут включать PPCK. Неожиданная сложность, которую мы обнаружили во взаимосвязи между PPCK, CAM и циркадными часами, также подчеркивает необходимость продолжения исследований в области CAM. процессы, прежде чем мы сможем полностью понять и использовать их пути."