Математическое исследование фотосинтеза открывает путь к созданию супер-культур

Как некоторые виды растений эволюционировали в сторону сверхэффективного фотосинтеза, было загадкой. Теперь учёные определили, какие шаги привели к этому изменению.

Около 3% всех растений используют продвинутую форму фотосинтеза (C₄), которая позволяет им захватывать больше углекислого газа, использовать меньше воды и расти быстрее. В целом это делает их более чем на 50% эффективнее, чем растения, использующие менее эффективную форму (C₃).

Новое исследование проследило эволюционные пути всех растений, использующих C₄ фотосинтез (кукуруза, сахарный тростник, просо), чтобы выяснить, как они независимо друг от друга развили эту способность, не будучи напрямую родственными.

С помощью математического анализа авторы выявили ряд небольших изменений в физиологии растений, которые в совокупности позволяют им:

• Расти быстрее.
• Использовать в три раза меньше воды, чем другие растения.
• Захватывать из атмосферы примерно в 13 раз больше углекислого газа.

Вместе эти отдельные эволюционные достижения составляют «рецепт», который можно использовать для улучшения ключевых сельскохозяйственных культур, использующих только менее эффективную C₃ форму. По словам авторов, эти знания помогут вывести супер-культуры, например, быстрорастущий, засухоустойчивый рис.

Исследование провели математик д-р Иэн Джонстон из Имперского колледжа Лондона и биолог растений д-р Бен Уильямс из Кембриджского университета. Результаты опубликованы в журнале eLife. Учёные объединились, чтобы проверить, может ли новая математическая модель эволюции помочь распутать эволюционные пути, приведшие к C₄ фотосинтезу.

«Мой главный интерес — использовать инструменты математики для реального прогресса в проблеме, имеющей биологическую и социальную ценность», — сказал д-р Джонстон. — «Обнадёживает, что для усилий по созданию суперэффективных культур мы обнаружили несколько различных путей, ведущих к более эффективному фотосинтезу, — то есть у биологов есть множество разных «рецептов» для достижения этой цели».

Д-р Джулиан Хибберд из Кембриджского университета, последний автор статьи, добавил: «Это не только интересный математический результат, он должен помочь биологам создать культуры со значительно улучшенной урожайностью, чтобы накормить мир. Как в поговорке «все дороги ведут в Рим», Бен и Иэн показали, что в эволюционном процессе растения шли многими путями».

Следующий шаг для биологов — воссоздать естественную эволюцию C₄ фотосинтеза, повторив генетические и физиологические изменения сначала на простых лабораторных растениях, а в конечном итоге — на рисе.