Биологи из Венского университета выяснили, как у тропических деревьев рода Клузия (Clusia) выработался механизм фотосинтеза, который экономит воду. Как выяснилось, эта адаптация возникала неоднократно и в разных формах благодаря древнему удвоению генома и его последующей перестройке. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Большинство растений поглощают углекислый газ днём через поры-устьица на листьях, но при этом теряют много воды из-за испарения. Растения с CAM-фотосинтезом (метаболизм по типу толстянковых) решают эту проблему иначе: их устьица днём закрыты, а углекислый газ они поглощают ночью, химически связывая его и запасая в виде яблочной кислоты.
Учёные сравнили геномы трёх видов клузий: Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major. Этот род уникален тем, что в него входят единственные известные деревья, использующие CAM. При этом разные виды демонстрируют широкий спектр стратегий – от обычного фотосинтеза до очень активного CAM, что делает их удобной моделью для изучения эволюции этого процесса.
Анализ показал, что все три вида – древние полиплоиды. В какой-то момент их эволюции геном удвоился, а затем на протяжении миллионов лет он реорганизовывался: копии генов утрачивались, деактивировались или приобретали новые функции. Этот процесс особенно затронул гены, которые отвечают за ночное накопление CO2.
Наблюдения в оранжерее в условиях, близких к естественным, подтвердили, что виды используют генетические преимущества по-разному. Clusia rosea постоянно применяет сильный CAM. Clusia minor переключается на него в основном в стрессовых условиях, например при нехватке воды. Clusia major использует гибридную стратегию, совмещая CAM с обычным фотосинтезом.
По мнению исследователей, именно генетическая пластичность, возникшая после удвоения генома, объясняет такое разнообразие. Механизм CAM у клузий возник не в результате одного эволюционного события, а формировался многократно и по-разному, позволяя видам приспосабливаться к разным экологическим нишам. Понимание этих процессов в будущем может помочь вывести сельскохозяйственные культуры, более устойчивые к засушливому климату.
