Ученые Венского университета под руководством Вольфрама Векверта выяснили, как в пределах одного рода тропических деревьев возникла особая разновидность фотосинтеза — CAM (кислотный метаболизм толстянковых). Специалисты сопоставили геномы трех видов Clusia и проследили, каким образом древнее удвоение генома с последующей масштабной перестройкой ДНК привело к появлению разных вариантов этого механизма. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Еще около 1800 года Александр фон Гумбольдт обратил внимание на необычное поведение одного тропического дерева. Опустив его лист в воду, он не увидел пузырьков кислорода, которые обычно появлялись на свету. Причина кроется в особом суточном ритме растения: его устьица — микроскопические поры, через которые днем поступает углекислый газ и выделяется кислород, — остаются закрытыми в светлое время суток, что снижает потери влаги при испарении. Вместо этого дерево поглощает CO₂ ночью, химически связывает его и запасает в виде яблочной кислоты. Такой механизм и получил название CAM-фотосинтез.
Чтобы разобраться в эволюции этого процесса, исследователи изучили геномы трех видов Clusia с разными типами CAM: Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major. Молекулярные данные они объединили с измерениями физиологических функций растений в условиях, близких к природным. Род Clusia ценен для подобных работ тем, что включает единственные известные деревья, использующие CAM, а его виды демонстрируют широкий спектр стратегий — от обычного C₃-фотосинтеза, при котором углекислый газ усваивается днем, до выраженного CAM.
Геномный анализ показал, что все три вида являются древними полиплоидами: в ходе эволюции их геномы сначала умножались, а затем на протяжении миллионов лет перестраивались и сокращались. «В этом процессе копии генов теряются, отключаются или приобретают новые функции», — поясняет ведущий автор работы Ханнес Краммль из отдела молекулярной системной биологии Института функциональной и эволюционной экологии Венского университета. Его коллега Йоханнес Херпелль добавляет, что особенно это затрагивает гены, отвечающие за ночное запасание CO₂. Как отмечает руководитель исследования Вольфрам Векверт, геномы не просто размножились — за миллионы лет они были реорганизованы, сокращены и функционально перестроены, и именно эта пластичность объясняет физиологическое разнообразие CAM у Clusia.
Наблюдения в оранжерейных условиях с изменением количества доступной воды показали, что виды используют CAM по-разному. Clusia rosea отличается сильным CAM и накапливает значительные объемы углекислого газа в виде яблочной кислоты ночью. Clusia minor включает этот механизм в основном при стрессе. Clusia major применяет гибридную стратегию, сочетая C₃-фотосинтез и CAM. Эти различия отразились и в активности генов, и в обмене веществ, что позволило связать поведение растений с найденными геномными изменениями. Полученные данные говорят о том, что CAM у Clusia возникал не однократно, а в результате повторяющихся перестроек генома, что помогало видам приспосабливаться к разным экологическим нишам.
Результаты могут найти применение за пределами изучения тропических деревьев. Растения с CAM расходуют заметно меньше воды, чем те, что полагаются на традиционный фотосинтез, поэтому они считаются перспективной моделью для создания культур, устойчивых к климатическим изменениям. Новая геномная информация поможет выявить метаболические процессы, отвечающие за эффективное усвоение CO₂ и экономное расходование влаги. В перспективе эти знания могут способствовать выведению сельскохозяйственных растений, лучше приспособленных к засушливым условиям.