Геном ананаса раскрывает механизмы фотосинтеза у засухоустойчивых растений
Секвенирование генома ананаса позволило учёным приблизиться к пониманию генов и генетических путей, которые позволяют этому сочному растению процветать в условиях ограниченной воды. Новые данные, опубликованные в журнале Nature Genetics, также проливают свет на сложную эволюционную историю злаков, таких как сорго и рис, имеющих с ананасом далёкого общего предка.
Человечество культивирует ананас более 6000 лет. Сегодня более 85 стран производят около 25 миллионов тонн плодов в год.
Как и у многих растений, у предков ананаса и злаков происходили множественные удвоения всего генома. Анализ этих «дупликаций всего генома» помогает проследить общую и независимую эволюционную историю.
«Наш анализ показывает, что в геноме ананаса на одну дупликацию всего генома меньше, чем у родственных ему злаков, что делает ананас лучшей группой для сравнения при изучении геномов зерновых культур», — сообщил профессор Рэй Минг, руководивший проектом. Работа выявила свидетельства двух дупликаций в истории ананаса и подтвердила предыдущие данные о трёх таких событиях у злаков.
Ананас использует особый тип фотосинтеза — CAM (кислотный метаболизм толстянковых), который независимо эволюционировал у более чем 10 000 видов растений. Большинство сельскохозяйственных культур используют другой тип — C3-фотосинтез.
«CAM-растения используют лишь 20% воды от объёма, потребляемого типичными C3-растениями, и могут расти на засушливых, маргинальных землях», — отметил Минг.
Изучение генома показало, что некоторые гены, способствующие CAM-фотосинтезу, регулируются генами циркадных (суточных) ритмов растения. Это первое обнаружение связи между регуляторными элементами генов CAM-фотосинтеза и циркадными часами.
«Это логично, поскольку CAM-фотосинтез позволяет растениям закрывать устьица на листьях днём и открывать ночью. Это сводит к минимуму потерю влаги в жарком засушливом климате», — пояснил учёный.
CAM-фотосинтез позволяет растению поглощать и фиксировать CO2 в молекулы ночью, концентрировать его в листьях и использовать днём для фотосинтеза.
«Засуха ответственна за большую часть потерь урожая в мире, поэтому понимание механизмов устойчивости к водному стрессу жизненно важно для создания засухоустойчивых культур», — пишут исследователи.
Учёные обнаружили, что CAM-фотосинтез эволюционировал путём перестройки молекулярных путей, участвующих в C3-фотосинтезе. «Все растения содержат необходимые гены для CAM-фотосинтеза, и его эволюция требует лишь перенаправления уже существующих путей».
Это понимание поможет в создании более продуктивных и засухоустойчивых сортов важнейших культур. Например, Министерство энергетики США финансирует проект по изучению генетических механизмов CAM-фотосинтеза у пустынных растений с целью переноса этих признаков потенциальным биоэнергетическим культурам.
«Повышенная эффективность использования воды — крайне желательный признак, учитывая необходимость удвоить производство продовольствия к 2050 году в условиях меняющегося климата», — заключил Минг.