Геном полушника раскрывает особенности водного CAM-фотосинтеза

Ученые под руководством Фэй-Вэй Ли из Института Бойса Томпсона впервые секвенировали геном полушника (Isoetes) — древней группы из около 250 мелких водных растений. Исследование раскрыло генетические механизмы уникального для этих растений CAM-фотосинтеза, что в перспективе может помочь в создании сельскохозяйственных культур с более эффективным использованием воды и CO2.

Особенности водного CAM

  • В отличие от большинства растений, которые поглощают CO2 днем, растения с CAM-фотосинтезом делают это ночью, чтобы экономить воду в засушливых условиях.
  • Полушники стали первыми известными водными растениями с CAM-фотосинтезом 40 лет назад. В их среде дневная потеря воды не является проблемой.
  • Водные полушники используют CAM для накопления растворенного в воде CO2 ночью, чтобы избежать конкуренции с другими водными организмами (например, водорослями), истощающими его уровень днем.

Ключевые генетические отличия

Команда собрала качественный геном I. taiwanensis и изучила экспрессию генов CAM-пути.

  1. Уникальная роль фермента PEPC: У всех растений есть два типа фосфоенолпируваткарбоксилазы (PEPC): растительный (ключевой для фотосинтеза) и бактериальный (задействован в других метаболических процессах).
    • У всех других растений бактериальный тип PEPC не участвует в фотосинтезе.
    • У полушников в CAM-фотосинтезе, по-видимому, задействованы оба типа PEPC. Это уникальная черта, указывающая на особую роль бактериального PEPC в водной среде.
  2. Различия в циркадных ритмах: Пики экспрессии некоторых регуляторов суточных ритмов у полушников приходятся на иное время суток, чем у наземных растений. Это говорит о разном режиме регуляции CAM циркадными часами.

Значение и перспективы

  • Исследование, опубликованное в Nature Communications 3 ноября, показывает, что эволюционных путей к CAM-фотосинтезу больше, чем считалось. Водные и наземные растения использовали разные версии одних и тех же компонентов, адаптируясь к своей среде.
  • Следующий шаг — изучение экспрессии генов CAM у I. engelmannii, который использует CAM под водой и обычный C3-фотосинтез на воздухе.
  • В долгосрочной перспективе открытия могут помочь в создании устойчивых к стрессу культур путем манипуляций с генами циркадных часов, регулирующими компоненты CAM, для повышения эффективности использования воды и CO2.