Tajne fotosinteze

Kako temperature rastu i suše postaju sve češće, naučnici traže načine kako pomoći biljkama da prežive sa manje vode. Neki tropski drveć pojedinačno možda već imaju deo odgovora.

Istraživači sa Univerziteta u Beču otkrili su kako određena stabla Clusia razvila neobičan oblik fotosinteze koji im omogućava da tokom noći apsorbuju ugljen-dioksid dok istovremeno čuvaju vlagu tokom dana.

Objavljena u Nature Communications, studija otkriva kako su milioni godina genetskih promena proizveli različite strategije uštede vode unutar jedne grupe tropskih drveća.

Misterija fotosinteze

Većina biljaka apsorbuje ugljen-dioksid kroz male pore nazvane stomate, koje obično otvaraju tokom dana. Međutim, ovi otvori takođe dozvoljavaju vodi da isparava.

Za biljke koje rastu u suvim uslovima, ovo stvara tešku ravnotežu između hvatanja ugljen-dioksida i očuvanja vlage.

Neki tropski drveća rešavaju problem otvaranjem svojih stomata tokom noći, kada su temperature obično niže i isparavanje je smanjeno.

Oni skladište apsorbovani ugljen-dioksid u obliku jabučne kiseline, oslobađajući je interno tokom dana za fotosintezu. Ovaj proces poznat je kao krasulaceanski metabolički proces, ili CAM.

Otkriće sa dubokim korenima

Neobično ponašanje Clusia stabala prvi put je privuklo naučnu pažnju pre više od dva veka. Oko 1800. godine, prirodnik Alexander von Humboldt primetio je da list tropskog drveta uronjen u vodu nije oslobodio očekivane kiseonikove balone tokom dana.

Naučnici sada razumeju da CAM biljke mogu držati svoje stomate zatvorene tokom dana dok i dalje koriste skladišteni ugljen-dioksid za fotosintezu. Međutim, tačno kako se ova sposobnost razvila među različitim vrstama Clusia ostala je nejasna.

Troje stabala, različite strategije

Kako bi istražili, istraživači su uporedili genom tri vrste: Clusia rosea, Clusia minor i Clusia major. Takođe su ispitivali kako su stabla reagovala na promene u dostupnosti vode pod uslovima staklenika koji su bili što je više moguće prirodni. Rezultati su otkrili izražene razlike.

Clusia rosea koristi snažan oblik CAM, skladišteći značajne količine ugljen-dioksida tokom noći. Clusia minor aktivira proces uglavnom kada postanu stresni uslovi životne sredine.

U međuvremenu, Clusia major kombinuje konvencionalno uzimanje ugljen-dioksida tokom dana sa CAM, stvarajući fleksibilnu hibridnu strategiju. Ove razlike pokazuju kako blisko povezano drveće može razviti različite odgovore na nestašicu vode.

Kako su prastari geni promenjeni

Istraživači su otkrili da su sve tri vrste doživele prastare događaje udvostručenja genoma, ostavljajući njihove pretke sa dodatnim kopijama genetskog materijala.

Kroz milione godina, ovi prošireni genomi pretrpeli su obimnu reorganizaciju. Neki duplirani geni su nestali, drugi postali neaktivni, a određeni geni razvili nove funkcije. Glavni autor Hannes Kramml objasnio je da je ova evolutivna premeštajnost uticala na gene uključene u skladištenje ugljen-dioksida tokom noći.

Vođa istraživanja profesor Wolfram Weckwerth dodao je da je obimna reorganizacija dupliranih genoma pomogla objasniti zašto su Clusia vrste razvile tako različite fotosintetičke strategije. Ovi nalazi sugerišu da se CAM razvio kroz višestruke genetske promene umesto jednostavnog evolutivnog događaja.

Da li ovo može pomoći budućim usevima?

CAM biljke mogu efikasnije koristiti vodu od biljaka koje se oslanjaju isključivo na konvencionalnu fotosintezu. Razumevanje gena i metaboličkih procesa koji stoje iza ove prednosti moglo bi na kraju pomoći istraživačima da razviju useve bolje prilagođene suvim okruženjima.

Međutim, prenošenje ovih kompleksnih mehanizama u poljoprivredne biljke zahtevalo bi značajno dodatno istraživanje. Studija je ispitivala tropska stabla umesto testiranja genetski modifikovanih useva, tako da praktične poljoprivredne primene ostaju mogućnost na dugi rok.

Nauk iz prirode

Ovi nalazi otkrivaju kako evolutivna fleksibilnost može pomoći biljkama da se prilagode izazovnim okruženjima. Razumevanjem kako tropska drveća čuvaju vodu dok održavaju fotosintezu, naučnici bi mogli otkriti nove pristupe za poboljšanje poljoprivredne otpornosti.

Kako klimatske promene povećavaju pritisak na globalnu proizvodnju hrane, ova izuzetna drveća nude vredne tragove o tome kako biljke preživljavaju kada voda postaje retka.