Люди выращивают ананас более 6000 лет, начиная с юго-запада современной Бразилии и северо-востока Парагвая. Сегодня более 85 стран производят около 25 миллионов метрических тонн ананасов ежегодно, а валовая стоимость производства приближается к 9 миллиардам долларов.Как и многие растения, предки ананаса и трав испытали многократное удвоение своих геномов. Отслеживание остатков этих «полногеномных дупликаций» у разных видов растений помогает исследователям проследить их общие и независимые эволюционные истории.
«Наш анализ показывает, что геном ананаса имеет на одну дупликацию всего генома меньше, чем травы, которые имеют общего предка с ананасом, что делает ананас лучшей группой сравнения для изучения геномов зерновых культур», — сказал профессор биологии растений Университета Иллинойса Рэй Мин, который возглавил мультиинституциональную работу по секвенированию генома ананаса. Работа выявила доказательства двух полных дупликаций генома в истории ананаса и подтвердила предыдущие результаты трех таких дупликаций у трав.Фотосинтез преобразует солнечную энергию в химическую энергию, позволяя растениям строить ткани, поддерживающие жизнь на Земле. Ананас использует особый тип фотосинтеза, называемый метаболизмом крассулоидной кислоты или САМ, который независимо развился у более чем 10 000 видов растений.
По словам Мин, ананас является наиболее экономически ценным растением среди этих 10 000 видов.Большинство сельскохозяйственных культур используют другой тип фотосинтеза, называемый C3.
«CAM-растения используют только 20 процентов воды, используемой типичными культурными растениями C3, а CAM-растения могут расти на засушливых маргинальных землях, которые не подходят для большинства сельскохозяйственных культур», — сказал Мин.Более пристальный взгляд на геном ананаса показал, что некоторые гены, которые участвуют в фотосинтезе CAM, регулируются генами циркадных часов растений, которые позволяют растениям различать день и ночь и соответственно регулировать свой метаболизм.«Ученые впервые обнаружили связь между регуляторными элементами генов фотосинтеза САМ и регуляцией циркадных часов», — сказал Минг. "Это имеет смысл, потому что фотосинтез CAM позволяет растениям закрывать поры в своих листьях в течение дня и открывать их ночью. Это способствует устойчивости ананаса в жарком засушливом климате, поскольку растение теряет очень мало влаги через свои листья в течение дня. . "Фотосинтез CAM позволяет растению поглощать и «связывать углекислый газ в молекулы в течение ночи, концентрировать его в своих листьях и высвобождать на следующий день для фотосинтеза», — сказал Минг.
«Засуха ответственна за большую часть глобальных потерь урожая, поэтому понимание механизмов, с помощью которых растения эволюционировали, чтобы пережить водный стресс, жизненно важно для разработки засухоустойчивости видов сельскохозяйственных культур», — пишут исследователи. «Растения CAM могут держать устьица закрытыми в дневное время … значительно сокращая потерю воды».Исследователи сообщают, что фотосинтез CAM и C4, распространенный среди трав, использует многие из тех же ферментов для концентрации углекислого газа в листьях растений.
Другие растения, такие как соя, используют менее эффективный фотосинтез C3, в котором отсутствуют механизмы концентрации СО2 фотосинтеза C4 и CAM.Команда обнаружила, что фотосинтез CAM эволюционировал путем изменения конфигурации молекулярных путей, участвующих в фотосинтезе C3.
«Все растения содержат гены, необходимые для фотосинтеза CAM, и эволюция CAM просто требует изменения маршрутов ранее существовавших путей», — писали они.По словам Мин, понимание эволюции этих различных типов фотосинтеза поможет ученым в их усилиях по созданию более продуктивных, устойчивых к засухе сортов основных сельскохозяйственных культур.Например, министерство энергетики США профинансировало проект по изучению генетических механизмов, обеспечивающих фотосинтез CAM и устойчивость к засухе у растений, адаптированных к пустыне, с целью привнести эти черты в урожаи, которые могут быть использованы для производства биотоплива.
По словам Минга, адаптация продовольственных культур к засухе также поможет людям адаптироваться к изменению климата.«Повышение эффективности водопользования — очень желательная черта, учитывая необходимость удвоить производство продуктов питания к 2050 году в контексте меняющегося климата», — сказал он.