_ Abilitățile superioare de fotosinteză ale unor plante ar putea deține cheia pentru Culturi rezistente la climă

Cu mai bine de 3 miliarde de ani în urmă, pe un Pământ acoperit în întregime de apă, fotosinteza a evoluat pentru prima dată în bacterii antice. În următoarele milioane de ani, acele bacterii au evoluat în plante, optimizându-se pe parcurs pentru diferite schimbări de mediu.

Această evoluție a fost punctată cu aproximativ 30 de milioane de ani în urmă cu apariția unui mod mai nou și mai bun de fotosintetizare. . În timp ce plante precum orezul au continuat să folosească o veche formă de fotosinteză cunoscută sub numele de C3, altele precum porumbul și sorgul au dezvoltat o versiune mai nouă și mai eficientă numită C4.

Acum există peste 8.000 de specii diferite de plante C4, care cresc deosebit de bine în climatele calde și uscate și sunt unele dintre cele mai productive specii de cultură din lume. Cu toate acestea, marea majoritate a plantelor încă funcționează pe fotosinteză C3. Deci, cum au apărut plantele C4 și ar putea plantele C3 să primească vreodată o actualizare similară?

Acum, pentru prima dată, oamenii de știință Salk și colaboratorii de la Universitatea din Cambridge au descoperit un pas cheie plantele C4 precum sorgul trebuia să evolueze pentru a deveni atât de eficient la fotosinteză – și cum am putea folosi aceste informații pentru a face culturi precum orezul, grâul și soia mai productive și rezistent la încălzirea climei noastre.

Descoperirile au fost publicate în Nature pe 20 noiembrie 2024.

„Întrebarea ce face diferite plante C3 și C4 nu este important doar din perspectiva biologică de bază. de a dori să știm de ce a evoluat ceva și cum funcționează la nivel molecular”, spune profesorul Joseph Ecker, autor principal al studiului, Salk International Council Chair in Genetics și Howard Hughes Medical Institute. investigator.

„Răspunsul la această întrebare este un pas uriaș către înțelegerea modului în care putem realiza cele mai robuste și productive culturi posibile în fața schimbărilor climatice și a unei populații globale în creștere.”

Aproximativ 95% dintre plante folosesc fotosinteza C3, în care celulele mezofile - celule spongioase verzi care trăiesc în interiorul frunzelor - transformă lumina, apa și dioxidul de carbon în alimentarea plantelor. zaharuri.

În ciuda prevalenței sale mari, fotosinteza C3 are două deficiențe majore:

Din fericire, evoluția a rezolvat aceste probleme cu fotosinteza C4. Plantele C4 recrutează celule de înveliș, care servesc în mod normal ca suport pentru venele frunzei, pentru a fotosintetiza alături de celulele mezofile. Ca rezultat, plantele C4 elimină acele greșeli de utilizare a oxigenului pentru a conserva energia și a menține porii de suprafață a plantei închiși mai des pentru a conserva apa. Rezultatul este o creștere cu 50% a eficienței în comparație cu plantele C3.

Dar la nivel molecular, ce a făcut ca plantele C3 să se transforme în plante C4? Și ar putea oamenii de știință să determine culturile C3 să devină culturi C4?

Pentru a răspunde la aceste întrebări, oamenii de știință de la Salk au folosit o tehnologie de ultimă oră, unicelulară, pentru a analiza diferența dintre orezul C3 și sorgul C4. În timp ce metodele anterioare erau prea imprecise pentru a distinge celulele învecinate, cum ar fi mezofila și celulele învelișului mănunchiului, genomica unicelulară a permis echipei să investigheze modificările genetice și structurale din fiecare tip de celulă de la ambele plante.

„Am fost surprinși. și încântat să constatăm că diferența dintre plantele C3 și C4 nu este îndepărtarea sau adăugarea unor gene specifice”, spune Ecker. „Mai degrabă, diferența este la nivel de reglementare, ceea ce ne-ar putea face mai ușor pe termen lung să activăm o fotosinteză C4 mai eficientă în culturile C3.”

Toate celulele dintr-un organism conțin aceleași gene. , dar care gene sunt exprimate la un moment dat este ceea ce determină identitatea și funcția fiecărei celule.

O modalitate prin care expresia genelor poate fi modificată este prin activitatea factorilor de transcripție. Aceste proteine ​​recunosc și se leagă de mici porțiuni de ADN din apropierea genelor, numite elemente de reglare. Odată poziționat la elementul de reglare, un factor de transcripție poate ajuta la „activarea” sau „dezactivarea” genelor din apropiere.

La măsurarea expresiei genelor în plantele de orez și sorg, oamenii de știință au descoperit că o familie de factori de transcripție Denumite în mod obișnuit DOF-uri, erau responsabile de activarea genelor pentru a face celule de teacă de mănunchi la ambele specii. Ei au observat, de asemenea, că DOF-urile se leagă de același element de reglare la ambele specii.

Cu toate acestea, la plantele de sorg C4, acest element de reglare nu a fost asociat doar cu genele de identitate ale tecii de mănunchi, ci a activat și fotosinteza. genele. Acest lucru a sugerat că plantele C4 au atașat la un moment dat elementele de reglementare ancestrale pentru genele învelișului pachetului pe genele de fotosinteză, astfel încât DOF-urile să pornească ambele seturi de gene în același timp. Acest lucru ar explica modul în care celulele învelișului de la plantele C4 au câștigat capacitatea de a fotosintetiza.

Aceste experimente au arătat că atât plantele C3, cât și C4 conțin genele și factorii de transcripție necesari pentru procesul de fotosinteză C4 superior - o descoperire promițătoare. pentru oamenii de știință care speră să determine plantele C3 să folosească fotosinteza C4.

„Acum avem acest plan pentru modul în care diferite plante utilizează energia soarelui pentru a supraviețui în diferite medii”, spune Joseph Swift, co-primul autor al studiului și cercetător postdoctoral în laboratorul lui Ecker. „Obiectivul final este să încercăm să pornești fotosinteza C4 și, la rândul său, să creăm culturi mai productive și mai rezistente pentru viitor.”

În următorul dosar pentru echipă este să se determine dacă orezul poate fi proiectat pentru a utilizați fotosinteza C4 mai degrabă decât C3. Acesta rămâne un obiectiv pe termen foarte lung, cu provocări tehnice semnificative, care sunt abordate printr-un efort de colaborare global cunoscut sub numele de „Proiectul de orez C4”.

Mai mult, descoperirile vor informa misiunea Salk Harnessing Plants Initiative. pentru a crea culturi optimizate care să lupte și să reziste simultan amenințării schimbărilor climatice.

Datele lor genomice unicelulare au fost, de asemenea, partajate ca resursă pentru oamenii de știință din jur. lumea, strângând rapid entuziasm pentru răspunsurile sale la acest mister de lungă durată în evoluție.

(Fluierul)