Ключ к созданию устойчивых к климату культур — в превосходном фотосинтезе некоторых растений
Около 30 миллионов лет назад в процессе эволюции растений появился новый, более эффективный способ фотосинтеза — C4. В то время как такие растения, как рис, продолжали использовать старую форму C3, кукуруза и сорго развили C4-фотосинтез.
Более 8000 видов C4-растений, которые особенно хорошо растут в жарком и сухом климате, демонстрируют на 50% более высокую эффективность по сравнению с C3-растениями (к которым относится около 95% растений, включая пшеницу и сою). C4-фотосинтез решает две ключевые проблемы C3:
- Исключает ошибки использования кислорода вместо CO2, что экономит энергию.
- Позволяет устьицам на поверхности листа чаще оставаться закрытыми, что экономит воду и повышает устойчивость к засухе и жаре.
Учёные из Института Солка и Кембриджского университета впервые обнаружили молекулярный механизм, позволивший C4-растениям эволюционировать. Используя технологию одноклеточной геномики, они сравнили C3-растение (рис) и C4-растение (сорго).
Ключевое открытие: Разница между C3 и C4 заключается не в наличии или отсутствии специфических генов, а на регуляторном уровне. Оба типа растений содержат необходимые гены и факторы транскрипции (семейство DOF).
У C4-растений регуляторный элемент, связанный с генами идентичности клеток обкладки (bundle sheath), также активирует гены фотосинтеза. Это означает, что в процессе эволюции C4-растения «подключили» древние регуляторные элементы к генам фотосинтеза, заставив факторы транскрипции DOF включать оба набора генов одновременно. Так клетки обкладки в C4-растениях приобрели способность к фотосинтезу.
Это открытие даёт «дорожную карту» для потенциального переключения C3-культур на более эффективный C4-фотосинтез с целью создания более продуктивных и устойчивых к изменению климата сельскохозяйственных растений. Долгосрочная цель — попытка инженерной модификации риса в рамках глобального проекта «C4 Rice Project».
Исследование опубликовано в журнале Nature 20 ноября 2024 года.