Úsporné stromy

S rostoucími teplotami a častějšími obdobími sucha hledají vědci způsoby, jak rostlinám pomoci přežít s menším množstvím vody.

Část odpovědi přitom možná už dávno ukrývá samotná příroda. Výzkumníci z Vídeňské univerzity zjistili, jak si některé tropické stromy rodu Clusia během evoluce vyvinuly neobvyklý způsob fotosyntézy.

Díky němu mohou přijímat oxid uhličitý v noci a přes den lépe šetřit vodou. Studie publikovaná v časopise Nature Communications ukazuje, jak miliony let genetických změn vedly ke vzniku různých strategií hospodaření s vodou v rámci jediné skupiny tropických stromů.

Záhada fotosyntézy

Většina rostlin přijímá oxid uhličitý prostřednictvím drobných otvorů na povrchu listů, kterým se říká průduchy. Ty se obvykle otevírají během dne, zároveň jimi však z rostliny uniká voda odpařováním.

Rostliny rostoucí v suchých podmínkách tak stojí před obtížnou volbou: potřebují získávat oxid uhličitý pro fotosyntézu, ale současně musí omezovat ztráty vody.

Některé tropické stromy tento problém řeší tím, že otevírají průduchy v noci, kdy bývá chladněji a odpařování je pomalejší.

Přijatý oxid uhličitý ukládají ve formě kyseliny jablečné, kterou během dne využívají pro fotosyntézu. Tento mechanismus se označuje jako metabolismus kyseliny krasulové, známý pod zkratkou CAM.

Objev s hlubokými kořeny

Neobvyklé vlastnosti stromů rodu Clusia přitahují pozornost vědců už více než dvě století. Kolem roku 1800 si přírodovědec Alexander von Humboldt všiml, že ponořený list tropického stromu během dne neuvolňuje bublinky kyslíku, které očekával.

Dnes vědci vědí, že rostliny využívající CAM mohou během dne ponechat průduchy zavřené a přitom pokračovat ve fotosyntéze díky oxidu uhličitému uloženému během noci.

Dosud však nebylo přesně objasněno, jak se tato schopnost vyvinula u různých druhů rodu Clusia a jaké genetické změny k ní vedly.

Tři stromy, různé strategie

Výzkumníci porovnali genomy tří druhů: Clusia rosea, Clusia minor a Clusia major. Zároveň sledovali, jak stromy reagují na měnící se dostupnost vody v podmínkách skleníku, které se co nejvíce blížily přirozenému prostředí. Výsledky odhalily výrazné rozdíly.

Druh Clusia rosea využívá CAM ve výrazné míře a během noci ukládá značné množství oxidu uhličitého. Clusia minor tento mechanismus aktivuje především tehdy, když se zhoršují podmínky prostředí a rostlina se dostává do stresu.

Clusia major naproti tomu kombinuje běžné přijímání oxidu uhličitého během dne s mechanismem CAM. Díky tomu dokáže pružněji reagovat na měnící se podmínky.

Tyto rozdíly ukazují, že i blízce příbuzné stromy si mohou během evoluce osvojit odlišné způsoby, jak se vyrovnávat s nedostatkem vody.

Jak se měnily starobylé geny

Vědci zjistili, že u všech tří druhů v dávné minulosti došlo k duplikaci genomu, tedy ke zdvojení genetické informace. Jejich předkové tak získali další kopie genetického materiálu, které se mohly v průběhu evoluce postupně měnit.

Během milionů let prošly tyto rozsáhlejší genomy výraznou přestavbou. Některé zdvojené geny zanikly, jiné přestaly být aktivní a další získaly nové funkce. Hlavní autor studie Hannes Kramml vysvětlil, že tyto evoluční změny zasáhly také geny související s nočním ukládáním oxidu uhličitého.

Vedoucí výzkumu, profesor Wolfram Weckwerth, doplnil, že rozsáhlá přestavba zdvojených genomů pomáhá objasnit, proč si jednotlivé druhy rodu Clusia vytvořily tak rozdílné strategie fotosyntézy.

Výsledky naznačují, že mechanismus CAM nevznikl jedinou jednoduchou evoluční změnou. Podílela se na něm řada genetických procesů, které se postupně odehrávaly během dlouhého časového období.

Mohlo by to pomoci budoucím plodinám?

Rostliny využívající CAM dokážou hospodařit s vodou účinněji než druhy, které se spoléhají výhradně na běžnou fotosyntézu. Pokud vědci lépe porozumějí genům a metabolickým procesům, které tuto výhodu umožňují, mohli by jednou pomoci vyvíjet plodiny vhodnější pro suché oblasti.

Přenos tak složitých mechanismů do zemědělských rostlin by však vyžadoval ještě značné množství dalšího výzkumu. Studie se zabývala tropickými stromy a netestovala geneticky upravené plodiny. Praktické využití v zemědělství proto zůstává dlouhodobou možností, nikoli bezprostředním výsledkem tohoto objevu.

Poučení z přírody

Výzkum ukazuje, jak může evoluční přizpůsobivost rostlinám pomáhat přežívat v náročných podmínkách. Pokud vědci pochopí, jak tropické stromy šetří vodou, aniž by přerušily fotosyntézu, mohou objevit nové způsoby, jak zvýšit odolnost zemědělství vůči suchu.

Klimatické změny stále více zatěžují světovou produkci potravin a nedostatek vody představuje pro pěstování plodin rostoucí problém. Pozoruhodné tropické stromy proto nabízejí cenné poznatky o tom, jak mohou rostliny přežít i v době, kdy mají k dispozici jen omezené množství vláhy.