Растения процветают в засушливых районах, потому что их устьица или поры закрыты в течение дня для экономии воды и открываются ночью для сбора углекислого газа. Эта форма фотосинтеза, известная как метаболизм крассулоидной кислоты или CAM, развивалась на протяжении миллионов лет, создавая водосберегающие характеристики у таких растений, как каланхоэ, орхидея и ананас.
«CAM — это проверенный механизм повышения эффективности использования воды на заводах», — сказал соавтор ORNL Сяохан Ян. «По мере того, как мы раскрываем строительные блоки, из которых состоит фотосинтез CAM, мы сможем биоинженерии метаболических процессов водоемких культур, таких как рис, пшеница, соевые бобы и тополь, чтобы ускорить их адаптацию к окружающей среде с ограниченным количеством воды».Ученые изучают множество засухоустойчивых растений, чтобы раскрыть тайну фотосинтеза САМ.
Для этой работы команда под руководством ORNL секвенировала геном Kalanchoe fedtschenkoi, новой модели для исследования геномики CAM из-за его относительно небольшого генома и возможности генетической модификации.Команда исследовала и сравнила геномы K. fedtschenkoi, Phalaenopsis equestris (орхидея) и Ananas comosus (ананас) с помощью суперкомпьютера ORNL Titan.«Широко признано, что некоторые неродственные растения демонстрируют аналогичные характеристики в схожих условиях окружающей среды, и этот процесс известен как конвергентная эволюция», — сказал Ян.Они идентифицировали 60 генов, которые демонстрировали конвергентную эволюцию у видов САМ, включая конвергентные дневные и ночные изменения экспрессии генов в 54 генах, а также конвергенцию последовательностей белков в шести генах.
В частности, команда открыла новый вариант фосфоенолпируваткарбоксилазы или PEPC. PEPC — важный "рабочий" фермент, отвечающий за фиксацию углекислого газа в яблочную кислоту в ночное время. Затем яблочная кислота превращается обратно в углекислый газ для фотосинтеза в течение дня.
«Эти конвергентные изменения в экспрессии генов и белковых последовательностях могут быть внесены в растения, которые полагаются на традиционный фотосинтез, ускоряя их эволюцию и повышая эффективность использования воды», — сказал Ян. Команда опубликовала свои выводы в Nature Communications.Умное использование водыРастениеводство является крупнейшим потребителем пресной воды в мире.
Доступность чистых водных ресурсов сокращается из-за урбанизации, роста населения и изменений климата, что создает проблемы для оптимальной среды выращивания.Чтобы решить эту проблему, внедрение CAM-фотосинтеза в пищевые и энергетические культуры может сократить использование воды в сельском хозяйстве и повысить устойчивость сельскохозяйственных культур, когда водоснабжение менее желательно.«Изучение генома водосберегающих растений также может дать представление о способности растения использовать слабосолоновую воду и поддерживать рост при более высоких температурах и более низкой доступности чистой воды», — сказал Джерри Тускан, соавтор и главный исполнительный директор Центра инноваций в области биоэнергетики. во главе с ORNL. «Если мы сможем определить механизмы эффективности водопользования, мы сможем перенести эту черту на агрономические растения, обеспечить эти растения непитьевой водой для орошения и сохранить чистую воду для питья».
В исследовании под названием «Геном каланхоэ» содержится информация о конвергентной эволюции и строительных блоках метаболизма кислоты толстолистых », в котором участвовали соавторы ORNL Сяохань Ян, Ронгбин Ху, Хэнфу Инь, Дегао Лю, Дебора Вейгилл, Роберт Мозли, Сара Джоуди, Чжихао Чжан, Мэн. Се, Пол Абрахам, Ритеш Мевалал, Кейтлин Палла, Энрике Сестари Де Паоли, Энн Борланд, Джин-Ги Чен, Веллингтон Мучеро, Дэниел Якобсон, Тимоти Чаплински, Роберт Хеттич и Джерри Тускан.В исследовании также участвовали сотрудники из Университета Теннесси, Института биотехнологии HudsonAlpha, Объединенного института генома Министерства энергетики, Университета сельского и лесного хозяйства Фуцзянь, Университета Невады, Университета Джорджии, Университета Северного Иллинойса, Университета Ливерпуля, Университета Оксфорда, Университета Иллинойса. в Урбана-Шампейн, Pacific Biosciences, Inc., Мичиганский государственный университет, Ньюкаслский университет и Смитсоновский институт тропических исследований.
Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США (Биологические и экологические исследования, Программа геномных наук) и программой лабораторных исследований и разработок ORNL. В работе также использовались ресурсы вычислительной среды и среды данных для науки в ORNL, полностью интегрированной инфраструктуры, предлагающей масштабируемые вычисления, поддержку программного обеспечения и высокопроизводительные облачные сервисы хранения данных, а также вычислительного центра Oak Ridge Leadership Computing Facility, который является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США. .