Αναπνέοντα δέντρα

Καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται και οι ξηρασίες γίνονται πιο συχνές, οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους για να βοηθήσουν τα φυτά να επιβιώσουν με λιγότερο νερό. Ορισμένα τροπικά δέντρα μπορεί ήδη να κρύβουν μέρος της απάντησης.

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης ανακάλυψαν πώς ορισμένα δέντρα Clusia ανέπτυξαν μια ασυνήθιστη μορφή φωτοσύνθεσης που τους επιτρέπει να απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα τη νύχτα, διατηρώντας παράλληλα την υγρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Δημοσιεύτηκε στο Nature Communications και η μελέτη αποκαλύπτει πώς εκατομμύρια χρόνια γενετικών αλλαγών παρήγαγαν διαφορετικές στρατηγικές εξοικονόμησης νερού μέσα σε μια ενιαία ομάδα τροπικών δέντρων.

Ένα μυστήριο φωτοσύνθεσης

Τα περισσότερα φυτά απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα μέσω μικροσκοπικών πόρων που ονομάζονται στόματα, τα οποία συνήθως ανοίγουν κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ωστόσο, αυτά τα ανοίγματα επιτρέπουν επίσης στο νερό να διαφύγει μέσω της εξάτμισης.

Για τα φυτά που αναπτύσσονται σε ξηρές συνθήκες, αυτό δημιουργεί μια δύσκολη ισορροπία μεταξύ της δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα και της διατήρησης της υγρασίας.

Ορισμένα τροπικά δέντρα λύνουν το πρόβλημα ανοίγοντας τα στόματά τους τη νύχτα, όταν οι θερμοκρασίες είναι γενικά χαμηλότερες και η εξάτμιση μειώνεται.

Αποθηκεύουν το απορροφημένο διοξείδιο του άνθρακα με τη μορφή μηλικού οξέος, απελευθερώνοντάς το εσωτερικά κατά τη διάρκεια της ημέρας για φωτοσύνθεση. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως μεταβολισμός του κρασουλακικού οξέος ή CAM.

Μια Ανακάλυψη με Βαθιές Ρίζες

Η ασυνήθιστη συμπεριφορά των δέντρων Clusia προσέλκυσε για πρώτη φορά την επιστημονική προσοχή πριν από περισσότερους από δύο αιώνες. Γύρω στο 1800, ο φυσιοδίφης Alexander von Humboldt παρατήρησε ότι ένα φύλλο τροπικού δέντρου βυθισμένο στο νερό δεν κατάφερε να απελευθερώσει τις φυσαλίδες οξυγόνου που περίμενε κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Οι επιστήμονες κατανοούν πλέον ότι τα φυτά CAM μπορούν να διατηρούν τα στόματά τους κλειστά κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ συνεχίζουν να χρησιμοποιούν το αποθηκευμένο διοξείδιο του άνθρακα για φωτοσύνθεση.

Ωστόσο, ο ακριβής τρόπος με τον οποίο εξελίχθηκε αυτή η ικανότητα μεταξύ διαφορετικών ειδών Clusia παραμένει ασαφής.

Τρία Δέντρα, Διαφορετικές Στρατηγικές

Για να διερευνήσουν, οι ερευνητές συνέκριναν τα γονιδιώματα τριών ειδών: Clusia rosea, Clusia minor και Clusia major. Εξέτασαν επίσης πώς τα δέντρα ανταποκρίθηκαν στην μεταβαλλόμενη διαθεσιμότητα νερού υπό σχεδόν φυσικές συνθήκες θερμοκηπίου. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν εντυπωσιακές διαφορές.

Η Clusia rosea χρησιμοποιεί μια ισχυρή μορφή CAM, αποθηκεύοντας σημαντικές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα κατά τη διάρκεια της νύχτας. Η Clusia minor ενεργοποιεί τη διαδικασία κυρίως όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες γίνονται αγχωτικές. Εν τω μεταξύ, η Clusia major συνδυάζει τη συμβατική πρόσληψη διοξειδίου του άνθρακα κατά τη διάρκεια της ημέρας με την CAM, δημιουργώντας μια ευέλικτη υβριδική στρατηγική. Αυτές οι διαφορές καταδεικνύουν πώς τα στενά συγγενικά δέντρα μπορούν να αναπτύξουν ξεχωριστές αντιδράσεις στην έλλειψη νερού.

Πώς Άλλαξαν τα Αρχαία Γονίδια

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι και τα τρία είδη βίωσαν αρχαία γεγονότα διπλασιασμού του γονιδιώματος, αφήνοντας στους προγόνους τους επιπλέον αντίγραφα γενετικού υλικού.

Για εκατομμύρια χρόνια, αυτά τα διευρυμένα γονιδιώματα υπέστησαν εκτεταμένη αναδιοργάνωση. Ορισμένα διπλά γονίδια εξαφανίστηκαν, άλλα έγιναν ανενεργά και ορισμένα γονίδια ανέπτυξαν νέες λειτουργίες. Ο επικεφαλής συγγραφέας Hannes Kramml εξήγησε ότι αυτή η εξελικτική αναδιάταξη επηρέασε τα γονίδια που εμπλέκονται στην αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα τη νύχτα.

Ο επικεφαλής της έρευνας, καθηγητής Wolfram Weckwerth, πρόσθεσε ότι η εκτεταμένη αναδιοργάνωση διπλά γονιδιωμάτων βοήθησε να εξηγηθεί γιατί τα είδη Clusia ανέπτυξαν τόσο ποικίλες φωτοσυνθετικές στρατηγικές.

Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η CAM εξελίχθηκε μέσω πολλαπλών γενετικών αλλαγών και όχι ενός απλού εξελικτικού γεγονότος.

Θα μπορούσε αυτό να βοηθήσει τις μελλοντικές καλλιέργειες;

Τα φυτά CAM μπορούν να χρησιμοποιούν το νερό πιο αποτελεσματικά από τα φυτά που βασίζονται εξ ολοκλήρου στη συμβατική φωτοσύνθεση. Η κατανόηση των γονιδίων και των μεταβολικών διεργασιών πίσω από αυτό το πλεονέκτημα θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους ερευνητές να αναπτύξουν καλλιέργειες που είναι πιο κατάλληλες για ξηρά περιβάλλοντα. Ωστόσο, η μεταφορά αυτών των πολύπλοκων μηχανισμών σε γεωργικά φυτά θα απαιτούσε σημαντική πρόσθετη έρευνα. Η μελέτη εξέτασε τροπικά δέντρα αντί να δοκιμάσει γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες, επομένως οι πρακτικές εφαρμογές στη γεωργία παραμένουν μια μακροπρόθεσμη πιθανότητα.

Ένα μάθημα από τη φύση

Τα ευρήματα αποκαλύπτουν πώς η εξελικτική ευελιξία μπορεί να βοηθήσει τα φυτά να προσαρμοστούν σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Κατανοώντας πώς τα τροπικά δέντρα εξοικονομούν νερό διατηρώντας παράλληλα τη φωτοσύνθεση, οι επιστήμονες μπορούν να ανακαλύψουν νέες προσεγγίσεις για τη βελτίωση της γεωργικής ανθεκτικότητας.

Καθώς η κλιματική αλλαγή αυξάνει την πίεση στην παγκόσμια παραγωγή τροφίμων, αυτά τα αξιοσημείωτα δέντρα προσφέρουν πολύτιμες ενδείξεις για το πώς επιβιώνουν τα φυτά όταν το νερό γίνεται σπάνιο.