Скрытая ДНК в растениях раскрывает секреты фотосинтеза
Ученые обнаружили генетические вариации в неисследованной ДНК фотосинтетических и энергетических фабрик растений Arabidopsis, которые играют ключевую роль в эффективности фотосинтеза. Эти выводы, опубликованные 27 ноября в Proceedings of the National Academy of Sciences, прокладывают путь к созданию более продуктивных, устойчивых к климату культур, способствующих глобальной продовольственной безопасности.
Помимо хромосом, клетки растений содержат в своих ядрах органеллы — специализированные компартменты с определенными функциями, такие как хлоропласты для фотосинтеза (улавливание солнечной энергии и CO₂ для производства сахаров) и митохондрии (высвобождение энергии из сахаров). И хлоропласты, и митохондрии содержат по 100–150 генов, кодирующих белки, необходимые для их работы.
Неизученная территория органеллярной генетической вариации
Для правильного функционирования растений необходима оптимальная координация между хромосомными, хлоропластными и митохондриальными генами. Однако до сих пор было мало известно о значимости генетической вариации органелл и о том, как она влияет на производительность растения.
Исследователи из Wageningen University & Research (WUR) и Университета штата Мичиган меняют эту ситуацию. В своем исследовании они демонстрируют, что генетическая вариация в ДНК хлоропластов и митохондрий играет ключевую роль в различиях фотосинтеза у растений Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля).
«Роль вариаций в хлоропластах и митохондриях, особенно в производстве энергии и фотосинтезе, раньше нельзя было изучить — но теперь это возможно», — объясняет Марк Аартс, профессор генетики растений в WUR, курировавший исследование.
Анализ 240 линий «цибридов» Arabidopsis
Для своего исследования авторы разработали новый метод крупномасштабного получения так называемых цибридов. У цибрида исходные хлоропласты и митохондрии полностью заменяются органеллами другого растения.
«Комбинируя хромосомы одного из четырех различных растений Arabidopsis с хлоропластами и митохондриями одного из 60 других растений Arabidopsis, мы смогли создать 240 уникальных цибридов», — говорит Аартс.
Растения, использованные в исследовании, происходят из широкого спектра мест в Европе, Азии и Африке — естественного ареала Arabidopsis.
Впервые создан такой большой набор цибридов. По словам Аартса, это демонстрирует, что данный подход также можно применить к сельскохозяйственным культурам, сделав аналогичный метод доступным для селекционных компаний.
«Раньше изучение вклада хлоропластной и митохондриальной вариации в производство энергии и фотосинтез у растений было очень сложным и трудоемким — но теперь это осуществимо».
К более эффективному фотосинтезу и росту растений
Эффективность фотосинтеза растений в полевых условиях довольно низка по сравнению с солнечными панелями. В среднем культуры используют лишь около 1% солнечной энергии, достигающей растения. Более ранние исследования показали, что эта эффективность в принципе может быть в 5–6 раз выше. Раскрытие этого потенциала является фокусом текущих исследований в Институте Яна Ингенхауза в Вагенингене, где сейчас работают два автора статьи.
Ранее усилия по улучшению фотосинтеза были в основном сосредоточены на использовании генетической вариации в хромосомах. По словам Марка Аартса, это открытие расширяет возможности для ученых и селекционеров растений в исследовании и улучшении производства энергии и фотосинтеза. Это может способствовать созданию будущих сортов сельскохозяйственных культур, лучше приспособленных для улавливания и использования энергии для оптимального роста.
Аартс заявляет: «Повышение способности сельскохозяйственных культур улавливать солнечную энергию и давать стабильные урожаи в различных условиях окружающей среды имеет решающее значение для обеспечения продовольствием растущего населения мира с помощью устойчивых к климату, надежных культур, выращиваемых экологически безопасным способом».