Более 3 миллиардов лет назад фотосинтез впервые развился у древних бактерий на покрытой водой Земле. За миллионы лет эти бактерии эволюционировали в растения, приспосабливаясь к изменениям окружающей среды. Около 30 миллионов лет назад появилась более эффективная форма фотосинтеза, называемая C4. В то время как такие растения, как рис, продолжали использовать старый метод C3, другие, такие как кукуруза и сорго (род травянистых растений семейства Злаки), переняли более эффективный процесс C4.
Более 8000 видов растений C4 процветают в жарких, сухих условиях и являются одними из самых продуктивных культур в мире. Однако большинство растений по-прежнему используют старый метод фотосинтеза C3.
В сотрудничестве с Кембриджским университетом ученые Института Солка обнаружили критический шаг, который позволил растениям C4, таким как сорго, развить свой высокоэффективный фотосинтез. Этот прорыв может повысить производительность и устойчивость культур C3, таких как рис, пшеница и соя, сделав их более приспособленными к изменению климата.
«Вопрос о том, что отличает растения C3 и C4, важен не только с базовой биологической точки зрения, чтобы узнать, почему что-то эволюционировало и как это функционирует на молекулярном уровне. Ответ на этот вопрос — огромный шаг к пониманию того, как сделать максимально устойчивые и продуктивные культуры возможными в условиях изменения климата и роста населения планеты» — говорят исследователи.
Около 95% растений используют фотосинтез C3, где клетки мезофилла преобразуют свет, воду и углекислый газ в сахар. Однако у фотосинтеза C3 есть два основных недостатка: 1) Иногда вместо углекислого газа используется кислород, что приводит к потере энергии, и 2) Поры на листьях открываются слишком часто, что приводит к потере воды и повышенной уязвимости к засухе и жаре.
Фотосинтез C4 решает эти проблемы, используя клетки пучковой оболочки для помощи в фотосинтезе, уменьшая количество ошибок, связанных с кислородом, и чаще закрывая поры для экономии воды. Благодаря этому C4-растения на 50 % эффективнее C3-растений.
Вопрос в том, как растения C3 эволюционировали в растения C4 на молекулярном уровне и могут ли ученые побудить растения C3 перенять фотосинтез C4.
Ученые использовали передовую технологию геномики отдельных клеток, чтобы ответить на эти вопросы и сравнить рис C3 с сорго C4. В отличие от предыдущих методов, которые не могли точно различать соседние типы клеток, такие как клетки мезофилла, геномика отдельных клеток позволила исследователям проанализировать генетические и структурные изменения в каждом типе растительных клеток.
«Мы были удивлены и взволнованы, обнаружив, что разница между растениями C3 и C4 заключается не в удалении или добавлении определенных генов. Скорее, разница находится на уровне регулирования, что может облегчить нам включение более эффективного фотосинтеза C4 в культурах C3 в долгосрочной перспективе» — говорят ученые.
Все клетки в организме имеют одни и те же гены, но их идентичность и функция зависят от того, какие гены экспрессируются, процесс, на который влияют факторы транскрипции. Эти белки связываются с регуляторными элементами вблизи генов, «включая» или «выключая» их.
В ходе изучения риса (C3) и сорго (C4) ученые обнаружили, что семейство факторов транскрипции, называемое DOF, активирует гены, которые создают клетки обкладки пучков у обоих видов.
Они также обнаружили, что в сорго C4 DOF связаны с регуляторным элементом, который активирует гены идентичности клеток пучковой оболочки и генов фотосинтеза. Это предполагает, что растения C4 эволюционировали путем присоединения предковых регуляторных элементов таких клеток к генам фотосинтеза, что позволяет DOF активировать оба набора генов одновременно.
Это понимание показывает, что как растения C3, так и растения C4 имеют необходимые гены и факторы транскрипции для фотосинтеза C4, что дает надежду ученым, стремящимся побудить растения C3 принять этот более эффективный процесс.
Джозеф Свифт, соавтор исследования, сказал : «Теперь у нас есть план того, как разные растения используют солнечную энергию для выживания в разных условиях. Конечная цель — попытаться включить фотосинтез C4 и, в свою очередь, создать более продуктивные и устойчивые культуры для будущего».
Следующая цель команды — определить, можно ли спроектировать рис так, чтобы он использовал фотосинтез C4 вместо C3, что является долгосрочной целью со значительными техническими проблемами.
Данные группы по геномике отдельных клеток стали доступны ученым по всему миру и вызвали большое волнение, поскольку дали ответ на давнюю загадку эволюции.
Исследование опубликовано в журнале Nature.