Выдающиеся способности некоторых растений к фотосинтезу могут стать ключом к созданию культур, устойчивых к изменению климата

Выдающиеся способности некоторых растений к фотосинтезу могут стать ключом к созданию культур, устойчивых к изменению климата

Ученые из Солка выяснили, как некоторые виды растений развили более эффективный подход к фотосинтезу; результаты исследования могут помочь сделать такие культуры, как рис и пшеница, более устойчивыми к изменению климата.

LA JOLLA — Более 3 миллиардов лет назад на Земле, полностью покрытой водой, фотосинтез впервые развился у маленьких древних бактерий. В последующие миллионы лет эти бактерии эволюционировали в растения, оптимизируя себя по пути к различным изменениям окружающей среды. Эта эволюция была прервана около 30 миллионов лет назад появлением нового, лучшего способа фотосинтеза. В то время как такие растения, как рис, продолжали использовать старую форму фотосинтеза, известную как C3, другие, такие как кукуруза и сорго, разработали более новую и эффективную версию, называемую C4.

Сейчас существует более 8,000 различных видов растений C4, которые особенно хорошо растут в жарком сухом климате и являются одними из самых продуктивных видов сельскохозяйственных культур в мире. Однако подавляющее большинство растений по-прежнему работают на фотосинтезе C3. Так как же появились растения C4, и могут ли растения C3 когда-либо получить подобное обновление?

Теперь впервые ученые из Института Солка и их коллеги из Кембриджского университета обнаружили ключевой шаг, который необходимо было сделать растениям C4, таким как сорго, чтобы стать настолько эффективными в фотосинтезе, и то, как мы можем использовать эту информацию, чтобы сделать такие культуры, как рис, пшеница и соя, более продуктивными и устойчивыми к нашему потеплению климата.

Выводы были опубликованы в Природа Ноябрь 20, 2024.

«Вопрос о том, что отличает растения C3 и C4, важен не только с базовой биологической точки зрения, чтобы узнать, почему что-то эволюционировало и как это функционирует на молекулярном уровне», — говорит профессор. Джозеф Экер, старший автор исследования, председатель Международного совета по генетике имени Солка и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Ответ на этот вопрос — огромный шаг к пониманию того, как мы можем сделать максимально устойчивые и продуктивные сельскохозяйственные культуры в условиях изменения климата и роста населения планеты».

Около 95% растений используют фотосинтез C3, в котором клетки мезофилла — зеленые губчатые клетки, живущие внутри листьев — превращают свет, воду и углекислый газ в питающие растения сахара. Несмотря на свою широкую распространенность, фотосинтез C3 имеет два основных недостатка: 1) в 20% случаев кислород случайно используется вместо углекислого газа и должен быть переработан, что замедляет процесс и тратит энергию, и 2) поры на поверхности листьев слишком часто открываются в ожидании поступления углекислого газа, из-за чего растение теряет воду и становится более уязвимым к засухе и жаре.

К счастью, эволюция решила эти проблемы с помощью фотосинтеза C4. Растения C4 привлекают клетки обкладки пучка, которые обычно служат опорой жилок листа, для фотосинтеза вместе с клетками мезофилла. В результате растения C4 устраняют эти ошибки использования кислорода, чтобы экономить энергию и чаще держать поры поверхности растения закрытыми, чтобы экономить воду. Результатом является 50%-ное увеличение эффективности по сравнению с растениями C3.

Но на молекулярном уровне, что заставило растения C3 превратиться в растения C4? И могут ли ученые побудить культуры C3 стать культурами C4?

Чтобы ответить на эти вопросы, ученые Солка использовали передовую технологию геномики отдельных клеток, чтобы изучить разницу между рисом C3 и сорго C4. В то время как предыдущие методы были слишком неточными, чтобы различать соседние клетки, такие как клетки мезофилла и обкладки пучка, геномика отдельных клеток позволила команде исследовать генетические и структурные изменения в каждом типе клеток обоих растений.

«Мы были удивлены и взволнованы, обнаружив, что разница между растениями C3 и C4 заключается не в удалении или добавлении определенных генов», — говорит Экер. «Скорее, разница находится на уровне регулирования, что может облегчить нам в долгосрочной перспективе включение более эффективного фотосинтеза C4 в культурах C3».

Все клетки организма содержат одни и те же гены, но то, какие гены экспрессируются в любой момент времени, определяет идентичность и функцию каждой клетки. Один из способов изменения экспрессии генов — это активность факторов транскрипции. Эти белки распознают и связываются с небольшими участками ДНК вблизи генов, называемыми регуляторными элементами. Оказавшись на месте регуляторного элемента, фактор транскрипции может помочь включить или выключить близлежащие гены.

При измерении экспрессии генов в растениях риса и сорго ученые обнаружили, что семейство факторов транскрипции, обычно называемых DOF, отвечает за включение генов для создания клеток обкладки пучков у обоих видов. Они также заметили, что DOF связываются с одним и тем же регуляторным элементом у обоих видов. Однако у растений сорго C4 этот регуляторный элемент был связан не только с генами идентичности обкладки пучков — он также включал гены фотосинтеза. Это предполагает, что растения C4 в какой-то момент прикрепили предковые регуляторные элементы для генов обкладки пучков к генам фотосинтеза, так что DOF будут включать оба набора генов одновременно. Это объясняет, как клетки обкладки пучков у растений C4 приобрели способность к фотосинтезу.

Эти эксперименты показали, что растения C3 и C4 содержат необходимые гены и факторы транскрипции, требующиеся для более эффективного процесса фотосинтеза C4, — многообещающее открытие для ученых, надеющихся подтолкнуть растения C3 к использованию фотосинтеза C4.

«Теперь у нас есть эта схема того, как разные растения используют энергию солнца, чтобы выживать в разных условиях», — говорит Джозеф Свифт, соавтор исследования и научный сотрудник в лаборатории Экера. «Конечная цель — попытаться включить фотосинтез C4 и, в свою очередь, создать более продуктивные и устойчивые культуры для будущего».

Следующим пунктом в списке задач команды является определение того, можно ли спроектировать рис для использования фотосинтеза C4 вместо C3. Это остается очень долгосрочной целью со значительными техническими проблемами, которые решаются глобальными совместными усилиями, известными как «Проект риса C4.” Более того, результаты будут предоставлены в ближайшее время Инициатива Salk Harnessing PlantsМиссия компании — создание оптимизированных сельскохозяйственных культур, которые одновременно борются с угрозой изменения климата и противостоят ей.

Их данные по геномике отдельных клеток также стали доступны ученым по всему миру, что быстро вызвало интерес к ответам на эту давнюю загадку эволюции.

Среди других авторов — Трэвис Ли и Джозеф Нери из Солка, а также Леони Лугинбюль, Лей Хуа, Тина Шрайер, Рут Дональд, Сьюзан Стэнли, На Ван и Джулиан Хибберд из Кембриджского университета в Соединенном Королевстве.

Работа была поддержана Медицинским институтом Говарда Хьюза, Советом по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук, проектом C4 Rice, Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом исследований в области наук о жизни, стипендией Герчела Смита и Европейской организацией молекулярной биологии.

DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3