Naukowcy prześledzili ścieżkę ewolucyjną od C3 do C4 fotosyntezaodkrywając kluczowe zmiany regulacyjne, które mogą zwiększyć odporność i wydajność upraw.
To przełomowe badanie toruje drogę postępowi w rolnictwie, który może pomóc w walce ze skutkami globalnego ocieplenia.
Ewolucja fotosyntezy
Ponad 3 miliardy lat temu fotosynteza po raz pierwszy pojawiła się u starożytnych bakterii na Ziemi całkowicie pokrytej wodą. Przez miliony lat bakterie te ewoluowały w rośliny, dostosowując się po drodze do zmieniającego się środowiska. Około 30 milionów lat temu nastąpił znaczący postęp: niektóre rośliny rozwinęły bardziej wydajną formę fotosyntezy. Podczas gdy rośliny takie jak ryż zachowały starszą metodę fotosyntezy C3, inne, takie jak kukurydza i sorgo, przyjęły bardziej zaawansowaną fotosyntezę C4.
Dziś jest ich ponad 8 tys gatunek roślin C4, rozwijających się w gorącym, suchym klimacie i zaliczanych do najbardziej produktywnych upraw na świecie. Mimo to większość zakładów w dalszym ciągu opiera się na mniej wydajnym procesie C3. Rodzi to intrygujące pytanie: jak ewoluowała fotosynteza C4 i czy możliwe jest przeniesienie tej wydajności do roślin C3?
Przełom w badaniach nad wydajnością instalacji
Teraz po raz pierwszy w historii naukowcy i współpracownicy Salk z Uniwersytetu w Cambridge odkryli kluczowy krok, jaki muszą podjąć rośliny C4, takie jak sorgo, aby ewoluować, aby stać się tak wydajnymi w fotosyntezie, oraz w jaki sposób możemy wykorzystać te informacje do uprawy roślin takich jak ryż, pszenica i soja są bardziej produktywne i odporne na ocieplający się klimat.
Wyniki opublikowano dzisiaj (20 listopada) w Natura.
„Zadawanie pytań, czym różnią się rośliny C3 i C4, jest ważne nie tylko z podstawowej biologicznej perspektywy, czyli chęci dowiedzenia się, dlaczego coś wyewoluowało i jak funkcjonuje na poziomie molekularnym” – mówi profesor Joseph Ecker, starszy autor badania, przewodniczący Międzynarodowej Rady Salk w genetyce i badacz Instytutu Medycznego Howarda Hughesa. „Odpowiedź na to pytanie to ogromny krok w kierunku zrozumienia, w jaki sposób możemy zapewnić możliwie najsilniejsze i najbardziej produktywne uprawy w obliczu zmian klimatycznych i rosnącej populacji na świecie”.
Zrozumienie procesów fotosyntezy C3 i C4
Około 95% roślin wykorzystuje fotosyntezę C3, podczas której komórki mezofilu – zielone komórki gąbczaste żyjące wewnątrz liści – zamieniają światło, wodę i dwutlenek węgla w cukry napędzające rośliny. Pomimo dużej częstości występowania fotosynteza C3 ma dwie główne wady: 1) w 20% przypadków zamiast dwutlenku węgla przypadkowo wykorzystuje się tlen, który należy poddać recyklingowi, co spowalnia proces i marnuje energię, oraz 2) pory na powierzchni liścia są otwierane zbyt często w oczekiwaniu na przedostanie się dwutlenku węgla, co powoduje, że roślina traci wodę i staje się bardziej podatna na suszę i upały.
Na szczęście ewolucja rozwiązała te problemy za pomocą fotosyntezy C4. Rośliny C4 rekrutują komórki pochewki pęczków, które normalnie służą jako podpora żył liściowych, do fotosyntezy obok komórek mezofilu. W rezultacie rośliny C4 eliminują błędy w stosowaniu tlenu, oszczędzając energię i częściej zamykając pory na powierzchni roślin, aby oszczędzać wodę. Rezultatem jest 50% wzrost wydajności w porównaniu do instalacji C3.
Genetyczny wgląd w ewolucję C3 do C4
Ale na poziomie molekularnym, co sprawiło, że rośliny C3 zmieniły się w rośliny C4? I czy naukowcy mogliby skłonić uprawy C3 do zmiany upraw C4?
Aby odpowiedzieć na te pytania, naukowcy z Salk zastosowali najnowocześniejszą technologię genomiki jednokomórkowej, aby przyjrzeć się różnicy między ryżem C3 a sorgo C4. Chociaż poprzednie metody były zbyt nieprecyzyjne, aby rozróżnić sąsiednie komórki, takie jak mezofil i komórki pochewki pęczków, genomika pojedynczych komórek umożliwiła zespołowi zbadanie zmian genetycznych i strukturalnych w każdym typie komórek obu roślin.
„Byliśmy zaskoczeni i podekscytowani, gdy odkryliśmy, że różnica między roślinami C3 i C4 nie polega na usunięciu lub dodaniu określonych genów” – mówi Ecker. „Różnica dotyczy raczej poziomu regulacyjnego, co na dłuższą metę może ułatwić nam włączenie bardziej wydajnej fotosyntezy C4 w uprawach C3”.
Przyszłość fotosyntezy w rolnictwie
Wszystkie komórki w organizmie zawierają te same geny, ale to, które geny ulegają ekspresji w danym momencie, decyduje o tożsamości i funkcji każdej komórki. Jednym ze sposobów modyfikacji ekspresji genów jest działanie czynników transkrypcyjnych. Białka te rozpoznają i wiążą się z małymi odcinkami DNA w pobliżu genów, zwane elementami regulatorowymi. Gdy czynnik transkrypcyjny znajdzie się na miejscu elementu regulacyjnego, może pomóc w „włączeniu” lub „wyłączeniu” pobliskich genów.
Mierząc ekspresję genów w roślinach ryżu i sorgo, naukowcy odkryli, że rodzina czynników transkrypcyjnych, powszechnie określana jako DOF, odpowiada za włączanie genów w celu wytworzenia komórek pochewki pęczków u obu gatunków. Zauważyli również, że DOF są powiązane z tym samym elementem regulacyjnym u obu gatunków. Jednak u roślin sorgo C4 ten element regulacyjny był powiązany nie tylko z genami tożsamości pochewki pęczków, ale także włączał geny fotosyntezy. Sugerowało to, że rośliny C4 w pewnym momencie przyczepiły przodkowe elementy regulacyjne genów osłonek pęczków do genów fotosyntezy, tak że DOF włączały oba zestawy genów jednocześnie. To wyjaśniałoby, w jaki sposób komórki pochewki pęczków roślin C4 zyskały zdolność do fotosyntezy.
Eksperymenty te wykazały, że zarówno rośliny C3, jak i C4 zawierają niezbędne geny i czynniki transkrypcyjne wymagane do doskonałego procesu fotosyntezy C4 – obiecujące odkrycie dla naukowców, którzy chcą skłonić rośliny C3 do wykorzystania fotosyntezy C4.
„Teraz mamy plan pokazujący, w jaki sposób różne rośliny wykorzystują energię słoneczną do przetrwania w różnych środowiskach” – mówi Joseph Swift, współpierwszy autor badania i badacz ze stopniem doktora w laboratorium Eckera. „Ostatecznym celem jest próba włączenia fotosyntezy C4, co z kolei umożliwi stworzenie bardziej produktywnych i odpornych upraw na przyszłość”.
Kolejnym zadaniem zespołu jest ustalenie, czy ryż można zmodyfikować tak, aby wykorzystywał fotosyntezę C4 zamiast C3. Pozostaje to bardzo długoterminowym celem wiążącym się ze znaczącymi wyzwaniami technicznymi, którymi zajmuje się globalny wspólny wysiłek znany jako „Projekt ryżu C4.” O wynikach poinformujemy wkrótce Inicjatywa dotycząca roślin wykorzystujących Salkmisją jest tworzenie zoptymalizowanych upraw, które jednocześnie zwalczają zagrożenie zmianami klimatycznymi i wytrzymują je.
Dane dotyczące genomiki pojedynczych komórek udostępniono także naukowcom na całym świecie, co szybko wzbudziło entuzjazm w związku z odpowiedziami na tę długoletnią tajemnicę ewolucji.
Odniesienie: „Egzaptacja sieci tożsamości komórek przodków umożliwia fotosyntezę C4” 20 listopada 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3
Inni autorzy to Travis Lee i Joseph Nery z Salk, a także Leonie Luginbuehl, Lei Hua, Tina Schreier, Ruth Donald, Susan Stanley, Na Wang i Julian Hibberd z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii.
Prace wsparli Instytut Medyczny Howarda Hughesa, Rada ds. Badań nad Biotechnologią i Naukami Biologicznymi, Projekt C4 Rice, Fundacja Billa i Melindy Gatesów, Fundacja Badań nad Naukami Przyrodniczymi, Stypendium Herchela Smitha oraz Europejska Organizacja Biologii Molekularnej.
