По мере того как засухи становятся все более частыми, исследователи пытаются понять, какие природные механизмы помогают растениям выживать при недостатке воды. Одну из таких подсказок дают тропические деревья рода клузия.

Ученые из Венского университета сравнили геномы нескольких видов и выяснили, как многомиллионная перестройка наследственного материала привела к появлению разных водосберегающих стратегий фотосинтеза.

<h3>Почему растения теряют влагу</h3>

Большинство растений поглощает углекислый газ через устьица — микроскопические отверстия на поверхности листьев.

Обычно устьица открываются днем, когда активно идет фотосинтез. Но вместе с газообменом растение теряет воду: она испаряется через те же отверстия.

В жарком и сухом климате возникает сложная задача — получить достаточно углекислого газа и одновременно сократить потерю влаги.

Некоторые растения решили эту проблему необычным способом: они открывают устьица преимущественно ночью, когда температура ниже, а испарение слабее.

<h3>Как работает CAM-фотосинтез</h3>

Такой механизм называют CAM-фотосинтезом, или кислотным метаболизмом толстянковых.

Ночью растение поглощает углекислый газ и временно запасает его в составе органических кислот, прежде всего яблочной.

Днем устьица могут оставаться закрытыми. Запасенный углекислый газ высвобождается внутри листа и используется в процессе фотосинтеза.

Благодаря этому растение продолжает получать углерод для образования органических веществ, но при этом теряет значительно меньше воды.

<h3>Клузии заинтересовали еще Гумбольдта</h3>

Необычные особенности клузий привлекли внимание ученых более двухсот лет назад.

Около 1800 года Александр фон Гумбольдт заметил необычное поведение листа одного из этих тропических деревьев. Погруженный в воду лист при ярком освещении не выделял ожидаемых пузырьков газа.

Позднее стало ясно, что это связано с необычным режимом газообмена.

Однако долгое время оставалось непонятным, почему даже близкородственные виды клузии используют CAM-фотосинтез по-разному.

<h3>Три вида — три стратегии</h3>

Исследователи сравнили три вида: клузию розовую, клузию малую и клузию большую. Кроме анализа геномов, растения выращивали в условиях, близких к естественным, меняя доступность воды и отслеживая газообмен, активность генов, работу белков и обмен веществ.

Клузия розовая активно использует CAM-фотосинтез и запасает значительное количество углекислого газа ночью.

Клузия малая ведет себя иначе. При достаточном количестве воды она может использовать обычный тип фотосинтеза, а при неблагоприятных условиях переключаться на CAM.

Клузия большая сочетает признаки обычного C3-фотосинтеза и CAM. Днем она продолжает поглощать углекислый газ привычным способом, но при этом сохраняет часть механизмов, характерных для водосберегающей стратегии.

Такие различия показывают, насколько по-разному близкие виды могут приспосабливаться к нехватке влаги.

<h3>Что происходило с их геномами</h3>

Ученые обнаружили, что в эволюционной истории клузий происходили события удвоения целых геномов.

Это значит, что предки современных растений получили дополнительные копии большого числа генов.

Со временем геномы не просто сохраняли эти копии, а постепенно перестраивались. Часть генов исчезала, некоторые теряли активность, а другие приобретали новые функции.

Особенно заметные изменения затронули гены, связанные с обменом веществ и механизмами CAM-фотосинтеза.

Исследователи предполагают, что именно сочетание древнего удвоения генома и последующей его перестройки помогло сформировать разнообразие фотосинтетических стратегий у клузий.

<h3>Почему это важно для сельского хозяйства</h3>

CAM-фотосинтез позволяет растениям значительно экономнее расходовать воду.

Поэтому понимание его генетической и биохимической основы представляет особый интерес для сельского хозяйства, особенно в регионах, где посевы все чаще страдают от засухи и жары.

В перспективе ученые надеются использовать знания о CAM для создания культур, способных лучше переносить недостаток влаги.

Однако перенести такой механизм в обычные сельскохозяйственные растения очень сложно. CAM зависит не от одного гена, а от согласованной работы множества процессов, связанных с обменом веществ, суточными ритмами и регуляцией активности клеток.

Поэтому пока речь идет прежде всего о фундаментальном понимании того, как природа сформировала разные способы экономии воды.

<h3>Что можно узнать у тропических деревьев</h3>

Исследование клузий показывает, что один и тот же базовый механизм может работать по-разному даже у близких видов.

Одни растения используют CAM постоянно, другие включают его только при нехватке воды, а третьи совмещают его с обычным фотосинтезом.

Изучение таких природных стратегий помогает лучше понять, как растения приспосабливаются к засухе и жаре.

В будущем эти знания могут стать основой для создания сельскохозяйственных культур, которые будут стабильнее расти при ограниченном количестве воды и лучше переносить меняющиеся климатические условия.