Учёные выяснили, как у трёх видов тропических деревьев рода Clusia независимо сформировались разные варианты фотосинтеза с повышенной экономией воды. Исследование под руководством Вольфрама Векверта из Венского университета показало, что этому способствовали древнее удвоение генома и последующая масштабная перестройка генетического материала. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications, сообщает ScienceDaily.
Особенность CAM-фотосинтеза (метаболизма крассуловых) связана с суточным режимом работы растения. Днём устьица — микроскопические поры на листьях — остаются закрытыми, благодаря чему снижается испарение воды. Ночью растение поглощает углекислый газ, связывает его и запасает в форме яблочной кислоты.
Необычное поведение тропического дерева заметил Александр фон Гумбольдт около 1800 года. Он погрузил лист в воду и обнаружил, что на солнечном свету тот не выделял пузырьки кислорода, которые наблюдались в других случаях. Позднее стало понятно, что такой результат связан с закрытыми днём устьицами и переносом поглощения углекислого газа на ночное время.
Для изучения происхождения этой особенности исследователи сопоставили геномы Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major. Эти виды отличаются характером фотосинтеза: первый постоянно использует выраженный CAM-механизм, второй включает его главным образом при неблагоприятных условиях, а третий сочетает обычный C3-фотосинтез с CAM. Род Clusia особенно важен для таких исследований, поскольку включает единственные известные деревья с CAM-фотосинтезом и широкий спектр переходных вариантов.
Анализ показал, что геномы всех трёх видов в прошлом подверглись полиплоидизации — увеличению числа наборов хромосом. Затем в течение миллионов лет они проходили диплоидизацию: лишние копии генов утрачивались, отключались или приобретали новые функции. «Гены, важные для ночного хранения CO2 в CAM-метаболизме, особенно затронуты», — отметил соавтор исследования Йоханнес Херпелл.
Учёные проверили, как генетические различия отражаются на работе растений, наблюдая за деревьями в условиях, близких к естественным, при разной доступности воды. Они одновременно изучали физиологию, активность генов, белки и продукты обмена веществ. По словам руководителя работы Вольфрама Векверта, геномы растений не просто увеличились, а были постепенно перестроены и функционально перенастроены, что объясняет разнообразие CAM-фотосинтеза у Clusia. Полученные сведения могут помочь найти механизмы эффективного связывания CO2 и экономного расходования воды, потенциально полезные при создании сельскохозяйственных культур для засушливых условий.