Засуха вызывает большие потери урожая во многих регионах мира, а изменение климата угрожает усугубить ситуацию как в умеренных, так и в засушливых регионах. В новой работе доктор Надин Тёпфер из Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница вместе с коллегами из Оксфордского университета в Великобритании проанализировали потенциал создания засухоустойчивых растений путем внедрения метаболизма крассулоидной кислоты в культуры.
Метаболизм крассулоидной кислоты (также известный как фотосинтез САМ) — это путь фиксации углерода, который развился у некоторых растений в результате адаптации к засушливым климатическим условиям.
У растений, использующих фотосинтез CAM, устьица на листьях остаются закрытыми в течение дня, чтобы уменьшить эвапотранспирацию (проще говоря, испарение воды). Однако они открываются ночью для сбора углекислого газа, что позволяет им диффундировать малат (яблочную кислоту) в клетки мезофилла. Ночью CO2 хранится в вакуолях в виде четырехуглеродной яблочной кислоты, а днем она транспортируется в хлоропласты, где снова превращается в CO2. Этот углекислый газ затем используется во время фотосинтеза. Предварительно собранный CO2 сконцентрирован вокруг рибулозобисфосфаткарбоксилазы (фермента RuBisCO). Он как раз и повышает эффективность фотосинтеза. Этот механизм кислотного обмена был впервые обнаружен у растений семейства Crassulaceae. Самый известный вид крассулы в России — толстянка, которая получила прозвище «денежное дерево».
Ученые использовали сложный математический подход к моделированию для изучения эффектов внедрения фотосинтеза САМ в различные растения.
Ведущий автор Надин Тёпфер, которая выполняла эту работу во время пребывания в должности доктора наук Марии-Кюри в группе профессора Ли Свитлоува в Оксфорде, сказала: «Моделирование — мощный инструмент для исследования сложных систем, и оно дает понимание, которое может помочь в лабораторных и полевых исследованиях. Я верю, что наши результаты послужат вдохновением для исследователей, которые стремятся передать водосберегающие свойства растений CAM другим видам».
Используя моделирование в большом диапазоне температур и условий относительной влажности, авторы исследования задались вопросом: будет ли фотосинтез CAM или альтернативные методы экономии воды более продуктивными в условиях, где обычно выращиваются культуры, использующие C3-фотосинтез?
Они обнаружили, что вакуумная емкость листа является основным фактором, ограничивающим эффективность использования воды во время фотосинтеза CAM. Также они выяснили, что условия окружающей среды формируют возникновение различных фаз цикла CAM. Математическое моделирование позволило выявить альтернативный цикл САМ, который включает митохондриальную изоцитратдегидрогеназу как потенциальный фактор начальной фиксации углерода в ночное время.
Их результаты показали не только то, что водосберегающий потенциал фотосинтеза САМ сильно зависит от окружающей среды (причем дневная среда более важна, чем ночная). Также ученые отметили, что альтернативные метаболические режимы, отличные от естественного цикла САМ, могут быть полезны при определенных условиях. Например, в более короткие дни с менее экстремальными температурами. Выводы ученых помогут человечеству подготовиться к выращиванию продовольственных культур во все более жарких и сухих климатических условиях.
Читать также
Годовая миссия в Арктике закончилась, и данные неутешительны. Что ждет человечество?
Посмотрите, как новый Hummer преодолевает препятствия на дороге, двигаясь как краб
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком