Дерева, що дихають уночі

З підвищенням температури та почастішанням посух учені шукають способи допомогти рослинам виживати за умов меншої кількості води. Деякі тропічні дерева, можливо, вже містять частину відповіді на це запитання.

Дослідники з Віденського університету з’ясували, як певні види дерев роду *Clusia* еволюційно набули незвичної форми фотосинтезу, що дозволяє їм поглинати вуглекислий газ уночі, зберігаючи при цьому вологу вдень.

У дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications, розкрито, як мільйони років генетичних змін призвели до появи різних стратегій збереження води в межах однієї групи тропічних дерев.

Загадка фотосинтезу

Більшість рослин поглинають вуглекислий газ через крихітні пори — продихи, які зазвичай відкриваються вдень. Однак через ці отвори також випаровується вода.

Для рослин, що ростуть у посушливих умовах, це створює складну дилему: як поглинати вуглекислий газ і водночас зберігати вологу.

Деякі тропічні дерева вирішують цю проблему, відкриваючи продихи вночі, коли температура зазвичай нижча, а випаровування — менше.

Вони накопичують поглинутий вуглекислий газ у вигляді яблучної кислоти, а вдень вивільняють його всередині рослини для здійснення фотосинтезу. Цей процес відомий як CAM-метаболізм (або метаболізм за типом товстянкових).

Відкриття з глибоким корінням

Незвичайна поведінка дерев Clusia вперше привернула увагу науковців понад два століття тому. Близько 1800 року натураліст Александр фон Гумбольдт зауважив, що листок тропічного дерева, занурений у воду, не вивільняє бульбашки кисню, яких він очікував, протягом денного світла.

Зараз вчені розуміють, що рослини CAM можуть тримати свої продихи закритими протягом дня, продовжуючи використовувати накопичений вуглекислий газ для фотосинтезу.

Однак, як саме ця здатність розвивалася у різних видів Clusia, залишалося незрозумілим.

Три дерева, різні стратегії

Для дослідження дослідники порівняли геноми трьох видів: Clusia rosea, Clusia minor та Clusia major. Вони також вивчили, як дерева реагували на зміну доступності води в умовах, близьких до природних тепличних. Результати виявили разючі відмінності.

Clusia rosea використовує сильну форму CAM, зберігаючи значну кількість вуглекислого газу протягом ночі. Clusia minor активує процес переважно тоді, коли умови навколишнього середовища стають стресовими. Тим часом Clusia major поєднує звичайне денне поглинання вуглекислого газу з CAM, створюючи гнучку гібридну стратегію. Ці відмінності демонструють, наскільки близькоспоріднені дерева можуть розвивати різні реакції на нестачу води.

Як змінилися стародавні гени

Дослідники виявили, що всі три види зазнали подій дублювання стародавнього геному, залишивши своїм предкам додаткові копії генетичного матеріалу.

Протягом мільйонів років ці збільшені геноми зазнали значної реорганізації. Деякі дубльовані гени зникли, інші стали неактивними, а певні гени розвинули нові функції. Провідний автор Ганнес Краммл пояснив, що ця еволюційна перестановка вплинула на гени, що беруть участь у зберіганні вуглекислого газу вночі.

Керівник дослідження, професор Вольфрам Векверт, додав, що велика реорганізація дубльованих геномів допомогла пояснити, чому види Clusia розвинули такі різноманітні фотосинтетичні стратегії.

Результати дослідження свідчать про те, що ХА (моноклональна альвеолярна система) еволюціонувала через численні генетичні зміни, а не через одну просту еволюційну подію.

Чи може це допомогти майбутнім культурам?

Рослини ХА можуть використовувати воду ефективніше, ніж рослини, які повністю покладаються на звичайний фотосинтез. Розуміння генів та метаболічних процесів, що лежать в основі цієї переваги, може зрештою допомогти дослідникам розробити культури, які краще підходять для сухого середовища.

Однак перенесення цих складних механізмів на сільськогосподарські рослини вимагатиме значних додаткових досліджень. У дослідженні досліджувалися тропічні дерева, а не тестувалися генетично модифіковані культури, тому практичне застосування в сільському господарстві залишається довгостроковою можливістю.

Урок від природи

Результати досліджень показують, як еволюційна гнучкість допомагає рослинам адаптуватися до складних умов середовища. Розуміння того, як тропічні дерева зберігають воду, не припиняючи при цьому фотосинтезу, може підказати вченим нові шляхи підвищення стійкості сільськогосподарських культур.

Оскільки зміна клімату посилює тиск на світове виробництво продовольства, ці дивовижні дерева дають важливі підказки щодо того, як рослини виживають в умовах дефіциту води.