Geheimnisse der Photosynthese von Federkielen könnten die Ernteeffizienz steigern

Geheimnisse der Photosynthese von Federkielen könnten die Ernteeffizienz steigern

Forscher erforschen, wie Wasserpflanzen die Photosynthese regulieren, um unter Wasser um Kohlendioxid zu konkurrieren

LA JOLLA – Die bescheidenen Federkiele sind eine uralte Gruppe von etwa 250 kleinen Wasserpflanzen, die von modernen Botanikern weitgehend ignoriert wurden. Jetzt haben Salk-Wissenschaftler zusammen mit Forschern des Boyce Thompson Institute das erste Genom des Federkielkrauts sequenziert und einige Geheimnisse der einzigartigen Photosynthesemethode der Pflanze aufgedeckt – Geheimnisse, die schließlich zur Entwicklung von Nutzpflanzen mit effizienterer Wassernutzung und Kohlenstoffbindung führen könnten um den Klimawandel anzugehen. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht Am November 3, 2021.

„Pflanzen sind wirklich erstaunlich darin, neuartige Strategien zu entwickeln, um Ressourcen wie Kohlenstoff aus ihrer Umgebung zu extrahieren“, sagt der Mitautor Todd Michael, Forschungsprofessor am Labor für Pflanzenmolekular- und Zellbiologie. „Indem wir diesen Einfallsreichtum für eine Reihe einzigartiger Pflanzen nutzen, z Isoeten Wir entwickeln einen Werkzeugkasten, um Anlagen der Zukunft so zu konstruieren, dass sie mehr Kohlenstoff abbauen.“

Die meisten Pflanzen atmen Kohlendioxid (CO) ein₂) tagsüber und nutzen Sonnenlicht, um das Gas in Zucker umzuwandeln. Aber Pflanzen in trockenen Regionen haben sich so entwickelt, dass sie CO atmen₂ stattdessen nachts. Diese Strategie – CAM-Photosynthese genannt – hilft den Pflanzen, tagsüber Wasserverluste zu vermeiden.

Vor vierzig Jahren: Federkiele – Pflanzen dieser Gattung Isoeten– wurde die erste Gruppe von Wasserpflanzen, bei denen entdeckt wurde, dass sie die CAM-Photosynthese nutzen. Der Wasserverlust am Tag stellt für die Wasserpflanzen offensichtlich kein Problem dar. Stattdessen nutzen Federkiele CAM, um CO zu sammeln₂ Lösen Sie es in Wasser auf und lagern Sie es über Nacht, um zu vermeiden, dass es mit anderen Wasserpflanzen und -organismen wie Algen konkurriert, die tagsüber den Wasserspiegel des Gases abbauen.

„Als Wasserpflanzen Isoeten haben die CAM-Photosynthese in einer grundlegend anderen Umgebung entwickelt als Landpflanzen in trockenen Lebensräumen“, sagt der mitkorrespondierende Autor Fay-Wei Li, Assistenzprofessor am Boyce Thompson Institute und außerordentlicher Assistenzprofessor an der Cornell University.

Um die genetischen Mechanismen zu untersuchen, die den CAM-Photosyntheseprozess von Federkielen regulieren, hat das Team ein Genom für die Federkiel-Art zusammengestellt Isoetes taiwanensis. Das Team nutzte das Genom, um CAM-Signalweg-Gene zu identifizieren und ihre Aktivitätsmuster (was Wissenschaftler als Genexpression bezeichnen) zu untersuchen, einschließlich der Art und Weise, wie sich diese Muster im Laufe des Tag-/Nachtzyklus veränderten. Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen CAM bei Federkielen und Landpflanzen besteht in der Funktion des Enzyms Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PEPC). Alle Pflanzen haben zwei Arten von PEPC: den Pflanzentyp, der seit langem für seine wesentliche Rolle bei der Photosynthese bekannt ist; und vom Bakterientyp, der dem in Bakterien vorkommenden PEPC ähnelt.

„In allen anderen Pflanzen spielt bakterielles PEPC eine Rolle bei einer Reihe von Stoffwechselprozessen, jedoch nicht bei der Photosynthese“, sagte David Wickell, ein Doktorand in Lis Labor und Erstautor der Studie. "In Isoeten, scheinen beide Typen an CAM beteiligt zu sein – etwas, das in keiner anderen Pflanze gefunden wurde und auf eine eindeutige Rolle von PEPC vom Bakterientyp in aquatischem CAM hinweist.“

Pflanzen verfügen über einen internen Zeitmechanismus, der als zirkadiane Uhr bezeichnet wird und dafür sorgt, dass biologische Prozesse zum richtigen Zeitpunkt ablaufen. In früheren Arbeiten hat das Michael-Labor gezeigt, dass fast die gesamte Genexpression durch die zirkadiane Uhr gesteuert wird und dass dieser Mechanismus bei allen getesteten Pflanzen gleich ist. Isoeten sind bislang die ersten Pflanzen, die über ein einzigartiges zirkadianes System verfügen, bei dem die Expressionsniveaus einiger Timing-Regulatoren zu verschiedenen Tageszeiten ihren Höhepunkt erreichen. Die Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in neuartige Mechanismen, die Pflanzen zur Kohlenstoffbindung nutzen.

Die Ergebnisse könnten genutzt werden, um Pflanzen so zu entwickeln, dass sie Umweltbelastungen besser standhalten. Wickell sagt, die Idee sei spannend, aber der Schlüssel läge darin, die zirkadianen Uhrgene zu manipulieren, die CAM-Komponenten regulieren, um Pflanzen dabei zu helfen, effizienter Wasser zu sparen oder das verfügbare CO besser zu nutzen₂.

Weitere Autoren sind Nolan T. Hartwick von Salk; Li-Yaung Kuo von der National Tsing Hua University in Taiwan; Hsiao-Pei Yang vom Boyce Thompson Institute; Amra Dhabalia Ashok, Iker Irisarri, Armin Dadras, Sophie de Vries und Jan de Vries von der Universität Göttingen in Deutschland; Yao-Moan Huang vom Taiwan Forestry Research Institute; Zheng Li von der University of Texas in Austin; und Michael S. Barker von der University of Arizona.

Die Arbeit wurde vom Boyce Thompson Institute, dem European Research Council (ERC) und der International Max Planck Research School (IMPRS) for Genome Science gefördert.

Gepostet mit freundlicher Genehmigung von Boyce Thompson Institute.

Über das Boyce Thompson Institute:
Das 1924 eröffnete Boyce Thompson Institute ist eine führende Forschungseinrichtung für Biowissenschaften mit Sitz in Ithaca, New York. BTI-Wissenschaftler führen Untersuchungen zur grundlegenden Pflanzen- und Biowissenschaftsforschung mit dem Ziel durch, die Ernährungssicherheit zu erhöhen, die ökologische Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft zu verbessern und grundlegende Entdeckungen zu machen, die die menschliche Gesundheit verbessern. Bei dieser Arbeit setzt sich BTI dafür ein, Studierende zu inspirieren und weiterzubilden und die nächste Generation von Wissenschaftlern weiterzubilden. BTI ist ein unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut, das auch der Cornell University angeschlossen ist. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte BTIscience.org.

DOI: 10.1038/s41467-021-26644-7