Сухие условия стимулировали развитие продвинутого фотосинтеза
Исследование показало, что необходимость экономить воду сыграла ключевую роль в эволюции специализированной формы фотосинтеза у растений.
Большинство растений до сих пор используют «C3-фотосинтез» для получения энергии из солнечного света и углекислого газа (CO2). В этом процессе они теряют много воды через поры в листьях, что в засушливых условиях может их погубить.
Так называемый «C4-фотосинтез», часто используемый представителями семейства злаковых, добавляет дополнительные элементы к базовой схеме. Химическая реакция, лежащая в основе C3-фотосинтеза, происходит в герметичных отсеках глубоко внутри листьев, а не у поверхности. Это позволяет растению снабжать реакцию концентрированным CO2, что повышает эффективность и снижает потерю воды.
До недавнего времени ученые объясняли развитие C4-фотосинтеза в первую очередь необходимостью более эффективно использовать CO2. Однако новое исследование, опубликованное в Philosophical Transactions of the Royal Society B, предполагает, что ограничение потери воды также было критически важным.
«Классический взгляд делал акцент на углероде, но мы утверждаем, что проблема потери воды листьями могла иметь не меньшее значение», — говорит ведущий автор статьи доктор Колин Осборн из Университета Шеффилда.
Эволюционное давление
C3-фотосинтез эволюционировал лишь однажды, когда ранние одноклеточные цианобактерии были «одомашнены» более сложными организмами и превратились в хлоропласты. В отличие от этого, более специализированный вариант C4, являющийся своего рода надстройкой к классической технике, независимо возникал более 60 раз.
Исследование, основанное на моделях того, как растения получают воду из почвы, предполагает, что засуха могла быть столь же важным стимулом для развития C4-фотосинтеза, как и падение уровня CO2 около 30 миллионов лет назад.
«Это парадокс — мы знаем, что C4-растения используют воду эффективнее, но если посмотреть на злаки в глобальном масштабе, они в основном не в самых засушливых районах», — отмечает Осборн. — «Однако, изучая эволюционное древо жизни, мы видим, что C4 имел тенденцию развиваться, когда травы мигрировали в более открытые среды, по мере того как их лесные местообитания сокращались».
Альтернативные стратегии
C4-фотосинтез — не единственное решение для засушливых условий и не самое эффективное в экстремальных случаях. По-настоящему засушливые среды, такие как пустыни, обычно доминируют не злаками и другими C4-растениями, а суккулентами, как кактусы. Они используют другую технику (CAM-фотосинтез), предполагающую поглощение большого количества CO2 ночью и его использование днем, что позволяет не открывать поры в дневную жару и минимизировать испарение.
Осборн и его соавтор Лорен Сэк из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сейчас проводят эксперименты, чтобы проверить эти выводы, сравнивая, как C4-растения и близкородственные им C3-виды справляются с засухой.