Инженерия засухоустойчивых культур с CAM-фотосинтезом

Исследование, опубликованное в The Plant Cell, проанализировало потенциал придания растениям устойчивости к засухе путем внедрения толстянкового кислотного метаболизма (CAM). Ученые использовали математическое моделирование для изучения эффектов введения CAM-фотосинтеза, характерного для засушливых условий, в C3-растения.

Проблема C3-фотосинтеза

Большинство растений, включая ключевые культуры (рис, пшеница, овес, ячмень), используют C3-фиксацию углерода. CO2 поглощается днем через устьица листа и сразу используется в фотосинтезе. В жарких и сухих условиях это приводит к значительной потере воды через эти же устьица.

Преимущество CAM-пути

CAM — альтернативный путь, который разделяет поглощение CO2 и его фиксацию во времени:

  • Ночью (в прохладе): устьица открыты для поглощения CO2, углерод запасается в вакуолях.
  • Днем (в жару): устьица закрыты для минимизации потерь воды, запасенный CO2 высвобождается для фотосинтеза внутри клеток листа.

Ключевые выводы моделирования

  1. Водосберегающий потенциал CAM сильно зависит от условий окружающей среды, причем дневные условия важнее ночных.
  2. Емкость вакуолярного запаса в листе — главный фактор, ограничивающий эффективность использования воды при CAM.
  3. Условия среды определяют проявление разных фаз CAM-цикла.
  4. Моделирование выявило альтернативный CAM-цикл с участием митохондриальной изоцитратдегидрогеназы, который может вносить вклад в начальную фиксацию углерода ночью.
  5. Альтернативные метаболические режимы, отличные от естественного CAM-цикла, могут быть полезны в определенных условиях, например, при более коротком дне и менее экстремальных температурах.

Значение работы

Как отметила ведущий автор Надин Тёпфер: «Моделирование — мощный инструмент для изучения сложных систем... Наши результаты дадут новые идеи исследователям, которые стремятся перенести признак экономии воды из CAM-растений в другие виды». Это исследование предоставляет ценные данные для подготовки к выращиванию сельскохозяйственных культур во все более жарких и засушливых условиях умеренного климата.

2020-10-23