Полузасушливые растения, такие как агава, приспособились к выживанию в районах с небольшим количеством осадков, разработав специальный режим фотосинтеза, называемый метаболизмом крассулоидной кислоты или CAM. В отличие от растений в более влажной среде, растения CAM поглощают и накапливают углекислый газ через открытые поры в своих листьях ночью, когда вероятность испарения воды меньше. В течение дня поры, также называемые устьицами, остаются закрытыми, в то время как растение использует солнечный свет для преобразования углекислого газа в энергию, сводя к минимуму потерю воды.Ученые ORNL изучают уникальные метаболические механизмы, которые позволяют растениям CAM экономить воду, с целью привнести водосберегающие свойства в биоэнергетические и пищевые культуры.
Результаты последнего исследования, посвященного агаве, опубликованы в журнале Nature Plants.Процесс фотосинтеза CAM, открытый в 1950-х годах, в значительной степени оставался научным курьезом, но теперь исследователи рассматривают его как потенциальное решение для поддержания урожайности сельскохозяйственных культур и биоэнергетики во время нехватки воды и засухи.«Сегодняшний спрос на сельскохозяйственные системы по обеспечению продуктами питания, кормами, фуражом, волокном и топливом требует более всесторонних исследований для понимания сложностей растений CAM», — сказал соавтор ORNL Сяохань Ян. «По мере того, как мы раскрываем каждый уровень процесса CAM, наши исследования стремятся ускорить эволюцию сельскохозяйственных культур, чтобы дать им возможность процветать в более засушливых средах, поскольку доступность пресной воды становится ограниченной».
Чтобы получить полное представление о сложной CAM-системе, команда использовала масс-спектрометрию ORNL для сравнения молекулярных характеристик агавы с контрольным растением, арабидопсисом, которое использует более распространенный процесс фотосинтеза.Команда оценила генетическое поведение, которое сигнализирует о движении устьиц у каждого растения в течение одного и того же 24-часового периода. Их исследование показало, что время дневной и ночной активности устьиц значительно различается между агавой и арабидопсисом. Исследование также позволило определить, какие генетические и метаболические механизмы сигнализируют растениям CAM открывать и закрывать устьица.
Понимание времени появления этих сигналов будет ключом к переносу процессов CAM в такие культуры, как рис, кукуруза, тополь и просо.«Требуются дальнейшие исследования, чтобы понять, как этот молекулярный хронометраж регулирует CAM, но результаты этого исследования дают новое понимание сложности биодизайна CAM, демонстрируя комплексное понимание CAM на молекулярном уровне», — Джеральд Тускан, корпоративный сотрудник ORNL и соавтор , сказал. «Передача молекулярных машин CAM в энергетические культуры облегчила бы их внедрение на маргинальных землях и одновременно уменьшила бы конкуренцию с продовольственными культурами».