Sekret tropikalnych drzew

Wraz ze wzrostem temperatur i coraz częstszymi suszami naukowcy poszukują sposobów, które pomogą roślinom przetrwać niedobór wody. Okazuje się, że część odpowiedzi mogą kryć w sobie niektóre drzewa tropikalne.

Naukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego odkryli, w jaki sposób niektóre drzewa z rodzaju Clusia wykształciły nietypowy sposób fotosyntezy, który pozwala im pobierać dwutlenek węgla nocą i ograniczać utratę wilgoci w ciągu dnia.

Badanie opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications” pokazuje, jak miliony lat zmian genetycznych doprowadziły do wykształcenia różnych strategii oszczędzania wody w obrębie jednej grupy tropikalnych drzew.

Zagadka fotosyntezy

Większość roślin pobiera dwutlenek węgla przez maleńkie otwory zwane aparatami szparkowymi, które zazwyczaj otwierają się w ciągu dnia. Jednocześnie umożliwiają one jednak ucieczkę wody w procesie parowania.

Dla roślin rosnących w suchych warunkach oznacza to konieczność znalezienia równowagi między pobieraniem dwutlenku węgla a oszczędzaniem wilgoci.

Niektóre drzewa tropikalne radzą sobie z tym problemem, otwierając aparaty szparkowe nocą, gdy temperatury są zazwyczaj niższe, a parowanie mniej intensywne.

Pobrany dwutlenek węgla magazynują w postaci kwasu jabłkowego, a następnie uwalniają go wewnątrz tkanek w ciągu dnia, aby wykorzystać go w procesie fotosyntezy. Mechanizm ten nazywa się metabolizmem kwasowym gruboszowatych (CAM).

Odkrycie sięgające odległej przeszłości

Nietypowe zachowanie drzew z rodzaju Clusia przyciągnęło uwagę naukowców już ponad dwa stulecia temu. Około 1800 roku przyrodnik Alexander von Humboldt zaobserwował, że liść tropikalnego drzewa zanurzony w wodzie nie wydziela pęcherzyków tlenu, których spodziewał się zaobserwować w ciągu dnia.

Obecnie naukowcy wiedzą, że rośliny wykorzystujące metabolizm CAM mogą utrzymywać zamknięte aparaty szparkowe w ciągu dnia, a jednocześnie kontynuować fotosyntezę dzięki wcześniej zgromadzonemu dwutlenkowi węgla.

Nie było jednak jasne, w jaki dokładnie sposób ta zdolność wyewoluowała u różnych gatunków z rodzaju Clusia.

Trzy drzewa, różne strategie

Aby zbadać to zagadnienie, naukowcy porównali genomy trzech gatunków: Clusia rosea, Clusia minor i Clusia major. Sprawdzili również, jak drzewa reagowały na zmieniającą się dostępność wody w warunkach szklarniowych odzwierciedlających warunki naturalne. Wyniki ujawniły wyraźne różnice.

Clusia rosea intensywnie wykorzystuje metabolizm CAM, magazynując znaczne ilości dwutlenku węgla w ciągu nocy. Clusia minor uruchamia ten mechanizm przede wszystkim wtedy, gdy warunki środowiskowe stają się niekorzystne. Z kolei Clusia major łączy tradycyjne pobieranie dwutlenku węgla w ciągu dnia z metabolizmem CAM, stosując elastyczną strategię hybrydową.

Różnice te pokazują, że blisko spokrewnione drzewa mogą wykształcać odmienne sposoby reagowania na niedobór wody.

Jak zmieniały się pradawne geny

Naukowcy odkryli, że u wszystkich trzech gatunków doszło w odległej przeszłości do podwojenia genomu, w wyniku czego ich przodkowie uzyskali dodatkowe kopie materiału genetycznego.

Przez miliony lat powiększone genomy ulegały rozległym przekształceniom. Niektóre z powielonych genów zanikły, inne przestały być aktywne, a część zaczęła pełnić nowe funkcje. Główny autor badania, Hannes Kramml, wyjaśnił, że te zmiany ewolucyjne wpłynęły również na geny związane z nocnym magazynowaniem dwutlenku węgla.

Profesor kierujący badaniami Wolfram Weckwerth dodał, że rozległe przekształcenia genomów powstałych w wyniku ich podwojenia pomagają wyjaśnić, dlaczego poszczególne gatunki Clusia wykształciły tak zróżnicowane strategie fotosyntezy.

Wyniki sugerują, że metabolizm CAM rozwinął się w wyniku wielu zmian genetycznych, a nie jednego prostego wydarzenia ewolucyjnego.

Czy to pomoże w uprawie roślin w przyszłości?

Rośliny wykorzystujące metabolizm CAM mogą efektywniej gospodarować wodą niż te, które polegają wyłącznie na tradycyjnej fotosyntezie. Zrozumienie genów i procesów metabolicznych odpowiedzialnych za tę przewagę mogłoby w przyszłości pomóc w opracowaniu roślin uprawnych lepiej przystosowanych do suszy.

Przeniesienie tych złożonych mechanizmów do roślin uprawnych wymagałoby jednak wielu dodatkowych badań. W omawianym badaniu analizowano drzewa tropikalne, a nie testowano genetycznie zmodyfikowanych roślin uprawnych, dlatego praktyczne zastosowanie tych odkryć w rolnictwie pozostaje odległą perspektywą.

Nauka płynąca z natury

Wyniki pokazują, jak elastyczność ewolucyjna pomaga roślinom przystosowywać się do trudnych warunków środowiskowych. Badając sposoby, dzięki którym drzewa tropikalne oszczędzają wodę, a jednocześnie przeprowadzają fotosyntezę, naukowcy mogą odkryć nowe metody zwiększania odporności rolnictwa na niekorzystne warunki.

W obliczu zmian klimatycznych, które wywierają coraz większą presję na światową produkcję żywności, te niezwykłe drzewa dostarczają cennych wskazówek, jak rośliny radzą sobie z niedoborem wody.