Вчені придумали, як змінити метаболізм рослин, щоб зробити їх засухостійкими

Засуха викликає великі втрати врожаю в багатьох регіонах світу, а зміна клімату загрожує погіршити

ситуацію як в помірних, так і в посушливихрегіонах. У новій роботі доктор Надін Тепфер з Інституту генетики рослин і досліджень сільськогосподарських культур ім. Лейбніца разом з колегами з Оксфордського університету у Великобританії проаналізували потенціал створення посухостійких рослин шляхом впровадження метаболізму крассулоідной кислоти в культури.

Метаболізм крассулоідной кислоти (також відомий як фотосинтез САМ) - це шлях фіксації вуглецю, який розвинувся у деяких рослин в результаті адаптації до посушливих кліматичних умов.

У рослин, що використовують фотосинтез CAM, продихина листках залишаються закритими протягом дня, щоб зменшити евапотранспіраціі (простіше кажучи, випаровування води). Однак вони відкриваються вночі для збору вуглекислого газу, що дозволяє їм дифундувати малат (яблучну кислоту) в клітини мезофіла. Вночі CO2 зберігається в вакуолях у вигляді четирехуглеродной яблучної кислоти, а вдень вона транспортується в хлоропласти, де знову перетворюється в CO2. Цей вуглекислий газ потім використовується під час фотосинтезу. Попередньо зібраний CO2 сконцентрований навколо рибулозобісфосфаткарбоксилаза (ферменту RuBisCO). Він якраз і підвищує ефективність фотосинтезу. Цей механізм кислотного обміну був вперше виявлений у рослин сімейства Crassulaceae. Найвідоміший вид крассули в Росії - толстянка, яка отримала прізвисько «грошове дерево».

Вчені використовували складний математичний підхід до моделювання для вивчення ефектів впровадження фотосинтезу САМ в різні рослини.

Провідний автор Надін Тепфер, яка виконувала цюроботу під час перебування на посаді доктора наук Марії-Кюрі в групі професора Лі Світлоува в Оксфорді, сказала: «Моделювання - потужний інструмент для дослідження складних систем, і воно дає розуміння, яке може допомогти в лабораторних і польових дослідженнях. Я вірю, що наші результати послужать натхненням для дослідників, які прагнуть передати водосберегающие властивості рослин CAM іншим видам ».

Використовуючи моделювання в великому діапазонітемператур і умов відносної вологості, автори дослідження задалися питанням: чи буде фотосинтез CAM або альтернативні методи економії води більш продуктивними в умовах, де зазвичай вирощуються культури, що використовують C3-фотосинтез?

Вони виявили, що вакуумна ємність листає основним чинником, що обмежує ефективність використання води під час фотосинтезу CAM. Також вони з'ясували, що умови навколишнього середовища формують виникнення різних фаз циклу CAM. Математичне моделювання дозволило виявити альтернативний цикл САМ, який включає мітохондріальну ізоцитратдегідрогеназа як потенційний фактор початкової фіксації вуглецю в нічний час.

Їх результати показали не тільки те, щоводозберігаючими потенціал фотосинтезу САМ сильно залежить від навколишнього середовища (причому денна середовище більш важлива, ніж нічна). Також вчені відзначили, що альтернативні метаболічні режими, відмінні від природного циклу САМ, можуть бути корисні при певних умовах. Наприклад, в більш короткі дні з менш екстремальними температурами. Висновки вчених допоможуть людству підготуватися до вирощування продовольчих культур в усі більш жарких і сухих кліматичних умовах.

Читати також

Річна місія в Арктиці закінчилася, і дані невтішні. Що чекає людство?

Подивіться, як новий Hummer долає перешкоди на дорозі, рухаючись як краб

На 3 день хвороби більшість хворих COVID-19 втрачають нюх і часто страждають нежиттю