Теперь ученые надеются использовать эти обратные молекулярные часы для создания новых засухоустойчивых культур, которые смогут адаптироваться к нашему будущему изменяющемуся климату.Публикуя свои результаты в журнале Nature Plants в этом месяце, команда из Университета Ньюкасла, Великобритания, и Национальной лаборатории Ок-Ридж, Теннесси, впервые раскрывает, как устьица — или «дышащие» поры — на листьях агавы остаются закрытыми во время день, чтобы минимизировать потерю воды.Этот процесс противоположен тому, который происходит у большинства растений, у которых устьица открыты в течение дня, поэтому они могут поглощать углекислый газ и использовать солнечный свет для фотосинтеза. Однако это также означает, что они быстро теряют воду из-за испарения.
Профессор Университета Ньюкасла Энн Борланд, один из авторов исследования, объясняет:«Для фотосинтеза необходимы три ключевых ингредиента — СО2, вода и солнечный свет — из этого следует, что большинство растений держат устьица открытыми днем, когда солнечно, и закрытыми ночью, когда темно."Но для растения, живущего в жарких и засушливых условиях, таких как агава, это было бы катастрофой. Им нужно беречь каждую каплю воды, которую они могут, и оставление устьиц открытыми в течение дня приведет к такой быстрой потере воды, что они просто умрут. .«В этом исследовании мы показали, что в так называемых CAM-растениях — растениях с метаболизмом крассулообразной кислоты, таких как агава, — несколько генов, контролирующих открытие устьиц, были перепланированы или« перевернуты »из-за того, что они были более обильными во время днем обильнее ночью.
«Накапливая углерод из углекислого газа, поглощаемого за ночь, растения фотосинтезируют днем, как и другие растения, но могут выполнять этот процесс, не открывая устьиц.«Если мы сможем использовать эти гены и создать новые засухоустойчивые растения, то потенциал будет огромным с точки зрения выращивания сельскохозяйственных культур и биотоплива, способных противостоять вызовам, с которыми мы сталкиваемся в результате изменения климата».CAM заводы
Метаболизм крассуловой кислоты (CAM) был впервые обнаружен учеными из Университета Ньюкасла в 1950-х годах и представляет собой фотосинтетическую адаптацию, обнаруженную примерно у 7% видов растений.При производстве большого количества крахмала и сахаров в районах с ограниченными водными ресурсами давно было признано, что если мы сможем использовать свойства растений CAM, они могут проложить путь к новым культурам биотоплива для производства биоэтанола.Агава произрастает в жарких и засушливых регионах Мексики и на юго-западе США. Нектар агавы, широко известный как базовый ингредиент текилы, сейчас широко продается как альтернатива сахару.
Секвенировав тысячи генов и белков, чтобы понять лежащие в основе метаболические процессы, команда сравнила растение агавы — или CAM — с арабидопсисом, одним из видов кресс-салатов и типичным растением C3.Они обнаружили, что, хотя оба растения имеют одинаковый набор генов и белков, в течение 24-часового периода определенные гены были «включены» в разное время.«Растения эффективно перепрограммировали себя в соответствии с окружающей средой», — объясняет профессор Борланд из Школы биологии Университета Ньюкасла.«Поскольку оба типа растений имеют схожий генетический состав, мы надеемся, что можно будет превратить растения C3 в растения CAM, просто найдя правильные триггеры.
«Это действительно захватывающее открытие и крупный прорыв в нашем стремлении создать новые растения, которые смогут адаптироваться в нашей окружающей среде будущего».Исследование является частью исследовательской программы стоимостью 14 миллионов долларов, финансируемой Программой геномных наук Министерства энергетики США.
В настоящее время команда работает четыре года над пятилетним проектом.