Почему некоторые травы развили более эффективный фотосинтез, а другие — нет

Исследование биологов из Университета Брауна показывает, что анатомическая разница в способности использовать подходящий момент объясняет, почему больше видов в одной широкой группе (кладе) трав развили более эффективный тип фотосинтеза, чем виды в другой кладе.

Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Травы с более эффективным механизмом производства пищи в теплых, солнечных и сухих условиях обозначаются как C4. Травы без этой черты — C3.

Известно, что хотя все травы в кладах BEP и PACMAD обладают базовой метаболической инфраструктурой для перехода к фотосинтезу C4, виды, которые фактически это сделали, находятся исключительно в кладе PACMAD. Ученые задались вопросом о причине такого различия.

Ключевое анатомическое различие

Для выяснения причины команда изучила клеточную анатомию 157 живых видов трав BEP и PACMAD и реконструировала анатомические черты предковых видов.

Исследователи сфокусировались на анатомии C3-трав в каждой кладе. Они обнаружили, что у многих C3-трав клады PACMAD:

• Жилки в листьях расположены ближе друг к другу.
• Жилки окружены более крупными клетками обкладки ("bundle sheath" cells).
• В итоге у трав PACMAD было больше соотношение клеток обкладки к мезофильным клеткам.

У C4-растений такое анатомическое строение облегчает более эффективную передачу и обработку CO₂ в клетках обкладки, когда углекислого газа не хватает (например, в жару или при стрессе).

Вывод: PACMAD-травы как группа развили анатомическую предрасположенность к фотосинтезу C4, которой у трав BEP не было. Это стало эволюционной ступенью к физиологии C4.

Эволюционный поворот

Около 60 миллионов лет назад травы BEP и PACMAD были более похожи и развивались в одном направлении — расстояние между жилками сокращалось. Затем их пути разошлись:

• Клетки обкладки у трав BEP стали уменьшаться.
• Клетки обкладки у трав PACMAD остались крупными.

Долгое время климат не давал преимущества ни одному из направлений. Однако, когда содержание CO₂ в атмосфере снизилось спустя миллионы лет после разделения клад, комбинация близко расположенных жилок и крупных клеток обкладки существовала только у представителей клады PACMAD. Это ограничило эволюцию C4 этой линией.

Исследование также показало, что эволюция среди C4-трав была анатомически разнообразной: у одних видов улучшения произошли в наружных клетках обкладки, у других — во внутренних.

Такие работы приближают науку к более прогнозируемому пониманию эволюции важных признаков растений, что может быть полезно как для фундаментальной науки, так и для сельского хозяйства и генной инженерии.