Геном ананаса раскрыл секрет устойчивых к засухе растений

Люди выращивают ананасы уже на протяжении шести тысяч лет. Изначально они были одомашнены на территории современных юго-западной Бразилии и северо-восточного Парагвая. Сегодня более 85 стран по всему миру производят ананасы в количестве около 25 миллионов тонн в год.

Этот вид сельскохозяйственных культур интересен многим специалистам ещё и тем, что он является засухоустойчивым благодаря особому механизму фотосинтеза, который носит название кислотного метаболизма толстянковых, или CAM.

В процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ. В частности в ходе его световой стадии в клетках растений образуются высокоэнергетические продукты, такие как аденозинтрифосфат (АТФ), служащий в клетке источником энергии, никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), использующийся как восстановитель в химических реакциях, а в качестве побочного продукта – кислород.

Существует три механизма фотосинтеза. Большинство сельскохозяйственных культур использует так называемый фотосинтез типа С3, а травам свойственен тип С4. Механизм САМ используется растениями, которые потребляют на 80% меньше воды. Благодаря этому эволюционному изобретению ананас и ещё около 10 тысяч других растений способны успешно существовать в засушливых регионах, где другие культуры просто не выживают.

Для того чтобы разобраться, как происходила эволюция ананаса, как самого ценного из САМ-растений, и какие гены ответственны за столь важные в сельском хозяйстве "навыки", международная команда исследователей во главе с профессором Рейем Мином (Ray Ming) из Иллинойского университета провела секвенирование (расшифровку) его генома.

Как многие другие растения, предки ананаса за всю свою историю пережили несколько удвоений их геномов. Этот механизм считается основным в процессе образования видов наряду с появлением мутаций в генах. Обнаружение остатков этого дублирования у различных видов помогает учёным проследить их общие и независимые эволюционные истории.

"Наш анализ показывает, что геном ананаса пережил всего на одно дублирование меньше, чем геном трав, которые имеют общего с ним предка, — рассказывает доктор Мин в пресс-релизе университета. – Это означает, что ананас является лучшим объектом для сравнения при изучении геномов зерновых культур".

Исследователи обнаружили в ДНК ананаса подписи двух полных дублирований генома, что подтверждает более ранние данные о трёх таких дублированиях у трав.

В своей статье, опубликованной в журнале Nature Genetics, учёные отмечают, что набор ферментов, необходимых для концентрирования углекислого газа в листьях во многом похож для САМ и С4 вариантов фотосинтеза. А вот в случае С3 явно недостаточно механизмов обогащения листьев СО2.

Авторы работы пришли к выводу, что САМ-фотосинтез развивался путём перенастройки молекулярных путей, участвующих в С3-фотосинтезе.

Более детальный анализ результатов секвенирования показал, что некоторые из генов, участвующие в регулировании САМ-фотосинтеза, ответственны и за циркадные ритмы, которые помогают растениям отличить день от ночи и, соответственно, управляют метаболизмом. Описанная взаимосвязь была выявлена учёными впервые.

"В этом есть смысл, поскольку растения для осуществления процессов САМ-фотосинтеза закрывают поры в листьях днём, когда жарко, и открывают их ночью, — поясняет доктор Мин. Это и является ключом к засухоустойчивости ананаса, поскольку он теряет минимальное количество влаги через листья в наиболее жаркое время суток. САМ-фотосинтез позволяет растению поглощать углекислый газ из воздуха ночью, концентрировать его в листьях и запускать в процесс фотосинтеза днём".

Большинство глобальных потерь урожая по всему миру происходит именно из-за длительной засухи. Поэтому исследователи уверены, что понимание механизмов выживания растений в стрессовых условиях позволит найти способы создания новых сортов, устойчивых к ним.