Тайните на сушата

Заради жегите и сушите учените търсят начини растенията да оцеляват с по-малко вода.

Оказва се, че някои тропически дървета вече притежават способност, която може да даде ценни насоки за бъдещето на земеделието.

Изследователи от Виенския университет са открили как определени видове от рода Clusia са развили необичаен механизъм на фотосинтеза, който им позволява да поглъщат въглероден диоксид през нощта и да ограничават загубата на вода през деня. Проучването, публикувано в списание Nature Communications, показва как милиони години генетични промени са довели до различни стратегии за пестене на вода в рамките на тази група тропически дървета.

Загадката на фотосинтезата

Как растенията могат да си набавят въглероден диоксид, без да губят твърде много вода?

Повечето растения поглъщат въглероден диоксид чрез миниатюрни пори, наречени устица, които обикновено се отварят през деня. През тях обаче не само навлиза необходимият за фотосинтезата газ, но и се губи вода чрез изпарение.

За растенията, които растат в сухи условия, това създава сериозен проблем: те трябва да си осигурят достатъчно въглероден диоксид, като същевременно ограничават загубата на влага.

Някои тропически дървета преодоляват това предизвикателство, като отварят устицата си през нощта, когато температурите обикновено са по-ниски и изпарението е по-слабо. Те съхраняват погълнатия въглероден диоксид под формата на ябълчена киселина, а през деня го освобождават вътре в растението, за да го използват за фотосинтеза.

Този процес се нарича киселинен метаболизъм на красулацеите (CAM) и позволява на растенията да използват водата по-ефективно.

Откритие с история от два века

Необичайното поведение на дърветата Clusia привлича вниманието на учените още преди повече от 200 години. Около 1800 г. естествоизпитателят Александър фон Хумболт забелязва, че лист от тропическо дърво, потопен във вода, не отделя очакваните от него кислородни мехурчета през деня.

Днес учените знаят, че растенията с CAM фотосинтеза могат да държат устицата си затворени през светлата част на денонощието и въпреки това да продължават да извършват фотосинтеза, използвайки въглеродния диоксид, натрупан през нощта.

Дълго време обаче остава неясно как точно тази способност се е развила при различните видове Clusia и кои генетични промени са допринесли за появата ѝ.

Три вида, различни стратегии

За да проучат този въпрос, изследователите сравняват геномите на три вида: Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major. Те изследват и реакциите на дърветата при различна наличност на вода в оранжерийни условия, близки до естествената им среда.

Резултатите разкриват съществени различия в начина, по който трите вида се справят с недостига на влага.

Clusia rosea използва силно изразена CAM фотосинтеза и натрупва значителни количества въглероден диоксид през нощта.

Clusia minor активира този механизъм главно когато условията на околната среда станат неблагоприятни.

Clusia major съчетава обичайното поглъщане на въглероден диоксид през деня с CAM фотосинтеза, което ѝ осигурява по-гъвкав начин за приспособяване към различни условия.

Тези различия показват, че дори близкородствени дървета могат да развият различни стратегии за справяне с водния дефицит.

Как се променили древните гени

Изследователите установяват, че и трите вида са претърпели древни събития на дублиране на генома, при които предците им са придобили допълнителни копия на генетичния материал.

В продължение на милиони години тези геноми претърпяват мащабни промени. Някои от дублираните гени изчезват, други стават неактивни, а трети придобиват нови функции.

Водещият автор на изследването Ханес Крамъл обяснява, че това еволюционно пренареждане е засегнало и гените, свързани с натрупването на въглероден диоксид през нощта.

Ръководителят на изследването, професор Волфрам Векверт, допълва, че мащабните промени в дублираните геноми помагат да се обясни защо различните видове Clusia са развили толкова разнообразни стратегии за фотосинтеза.

Резултатите показват, че CAM фотосинтезата не е възникнала вследствие на една-единствена генетична промяна. Развитието ѝ е резултат от множество генетични изменения, натрупвали се в продължение на милиони години.

Може ли откритието да помогне на земеделието?

Разгадаването на този природен механизъм може да помогне за създаването на култури, които използват водата по-ефективно.

Растенията с CAM фотосинтеза могат да пестят вода по-ефективно от тези, които разчитат изцяло на традиционния механизъм на фотосинтеза. Разбирането на гените и метаболитните процеси, които осигуряват това предимство, би могло в бъдеще да помогне на учените да разработят земеделски култури, по-подходящи за отглеждане в сухи условия.

За практическото приложение на тези знания обаче са необходими още много изследвания. Пренасянето на сложните механизми на CAM фотосинтезата в селскостопански растения би представлявало сериозно научно предизвикателство.

Настоящото проучване изследва тропически дървета, а не генетично модифицирани култури. Затова използването на тези открития в земеделието остава възможност за бъдещето, а не непосредствено решение на проблема със сушата.

Какво можем да научим от природата

Изследването показва как еволюцията позволява на растенията да се приспособяват към неблагоприятни условия чрез различни биологични механизми. Като изучават начина, по който тропическите дървета пестят вода, без да прекъсват фотосинтезата, учените могат да открият нови подходи за повишаване на устойчивостта на растенията към засушаване.

В условията на климатични промени и нарастваща необходимост от надеждно производство на храни подобни открития придобиват все по-голямо значение.

Тропическите дървета Clusia показват как природата е развила различни начини за справяне с недостига на вода. Изучаването на тези механизми може един ден да помогне за създаването на по-устойчиви земеделски култури, способни да се развиват при все по-трудни климатични условия.