Тропические деревья научились поглощать углекислый газ ночью для экономии воды

Некоторые тропические деревья используют необычный вариант фотосинтеза, позволяющий им переживать засуху. Они поглощают углекислый газ преимущественно ночью, а днём закрывают устьица листьев и тем самым сокращают потерю воды. Учёные Венского университета выяснили, как этот механизм формировался в ходе эволюции растений рода клузия. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Обычно растения открывают микроскопические поры листьев днём, чтобы получить углекислый газ для фотосинтеза. Одновременно через эти поры испаряется вода, что становится серьёзной проблемой в жарких и засушливых условиях. Клузии способны использовать CAM-фотосинтез: поглощать CO₂ ночью, временно запасать его в форме яблочной кислоты, а днём применять для образования сахаров при закрытых устьицах.

Эта особенность клузий привлекла внимание учёных более двух веков назад. Около 1800 года Александр фон Гумбольдт заметил, что помещённый в воду лист тропического дерева не выделял на свету ожидаемых пузырьков кислорода. Позднее выяснилось, что растение использует особый суточный режим газообмена.

Авторы новой работы расшифровали и сравнили геномы трёх видов: Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major. Первый постоянно использует выраженный CAM-фотосинтез и активно накапливает углекислый газ ночью. Второй включает этот механизм преимущественно при неблагоприятных условиях, например во время недостатка воды. Третий сочетает обычный C₃-фотосинтез со слабой формой CAM.

Исследование показало, что разнообразие возникло не в результате единственной генетической мутации. Предки этих растений пережили древнее удвоение всего генома, получив дополнительные копии множества генов. Затем на протяжении миллионов лет геномы перестраивались: часть копий исчезла, другие изменили функции, а перемещения мобильных участков ДНК повлияли на семейства генов, связанные с CAM-фотосинтезом.

Особенно важными оказались гены, управляющие переработкой крахмала в листьях и повторным использованием фосфоенолпирувата — соединения, необходимого для ночного связывания углекислого газа. Различные варианты сохранения и перестройки этих генов, вероятно, помогли сформировать сильную, слабую и включаемую при стрессе формы CAM.

Клузия представляет особый интерес, поскольку это единственный известный род настоящих деревьев с вторичным ростом ствола, среди которых встречается CAM-фотосинтез. Такое разнообразие внутри близкородственной группы позволяет изучать постепенный переход от обычного дневного газообмена к водосберегающей стратегии.

Полученные данные могут пригодиться при создании сельскохозяйственных культур, лучше переносящих жару и недостаток влаги. Однако перенести CAM-фотосинтез в культурные растения будет непросто: исследование показывает, что этот механизм основан на сложной перестройке множества генов и их суточной активности, а не на одном универсальном «гене засухоустойчивости».