Исследование, опубликованное в The Plant Cell, может быть использовано для создания новых культур, которые смогут расти в ранее негостеприимных, жарких и засушливых регионах по всему миру.Устойчивые к засухе растения, такие как кактусы, агавы и суккуленты, используют улучшенную форму фотосинтеза, известную как метаболизм крассулоидной кислоты или CAM, чтобы минимизировать потерю воды.Фотосинтез включает в себя получение углекислого газа из атмосферы для преобразования в сахар с помощью солнечного света.
В отличие от других растений, растения CAM способны поглощать CO2 в течение более прохладной ночи, что снижает потерю воды, и накапливать захваченный CO2 в виде яблочной кислоты внутри клетки, что позволяет использовать его для фотосинтеза без потери воды в течение следующего дня.Фотосинтез САМ регулируется внутренними циркадными часами растения, которые позволяют растениям дифференцировать и опережать день и ночь и соответственно регулировать свой метаболизм. Однако относительно мало известно о точных молекулярных процессах, которые лежат в основе оптимального времени хранения и высвобождения CO2 таким уникальным способом.Группа исследователей из Института интегративной биологии Университета изучила интересующий фермент под названием PPCK, который участвует в контроле превращения CO2 в его хранящуюся в течение ночи форму (яблочную кислоту; фруктовую кислоту, которая делает яблоки острым на вкус) и обратно.
Они хотели знать, является ли PPCK необходимым компонентом для инженерного фотосинтеза CAM, и проверили это, отключив ген PPCK в суккулентном CAM-растении Kalanchoe fedtschenkoi.Они обнаружили, что для правильной работы CAM клетки должны каждую ночь включать PPCK по внутренним циркадным часам. Когда они не позволяли каланхоэ производить PPCK в ночное время, растения могли улавливать только треть CO2, улавливаемого обычными растениями.Кроме того, они обнаружили, что у растений, которые не могли производить PPCK каждую ночь, были изменения в их циркадных часах, и это удивительное открытие предполагает, что метаболиты, связанные с CAM, передают информацию о времени суток центральному хронометру растения.
Д-р Джеймс Хартвелл прокомментировал: «Засуха — ключевая причина глобальных потерь урожая, поэтому понимание механизмов, с помощью которых некоторые адаптированные к пустыне растения эволюционировали, чтобы пережить водный стресс, жизненно важно для разработки улучшенной засухоустойчивости видов сельскохозяйственных культур.«Наша работа демонстрирует, что текущие усилия по созданию CAM-фотосинтеза в других растениях должны включать PPCK. Неожиданная сложность, которую мы обнаружили во взаимосвязи между PPCK, CAM и циркадными часами, также подчеркивает необходимость продолжения исследований процессов CAM, прежде чем мы сможем полностью понимать и эксплуатировать их пути ".