Дерево, которое работает по ночам

Представьте себе: начало 1800-х годов. Знаменитый путешественник и натуралист Александр фон Гумбольдт бродит по тропикам и решает провести простой эксперимент. Берёт лист, опускает в воду, ждёт пузырьки — стандартный тест на фотосинтез. Но ничего не происходит. Лист лежит и молчит, хоть ты тресни.

Гумбольдт, наверное, пожал плечами и пошёл дальше. А зря — он только что наткнулся на один из самых хитрых природных механизмов выживания.

Дневные ленивцы и ночные работники

Большинство растений — жаворонки. Днём они ловят солнечный свет, поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Красивая схема. Но есть проблема: крошечные поры на листьях (их называют устьицами) пропускают не только CO₂, но и воду. Представьте, что вы держите окна открытыми посреди песчаной бури.

Некоторые растения нашли выход. Они просто ждут темноты.

Днём устьица закрыты наглухо. А ночью, когда жара спадает, растение открывает их и запасает углекислый газ в виде яблочной кислоты. А днём уже спокойно перерабатывает накопленное без всякого риска потерять воду.

Учёные называют это CAM-фотосинтезом — от Crassulacean Acid Metabolism. Назвали в честь семейства толстянковых. Да, скучные названия — бич ботаники.

Семья, где все разные

Вот тут начинается самое интересное. Группа исследователей из Венского университета решила изучить CAM-фотосинтез у деревьев рода Клузия — и нашла то, чего никто не ожидал.

Клузия — единственные деревья на планете, использующие CAM. Уже уникально. Но дальше — лучше: разные виды этого рода используют CAM совершенно по-разному. Одни фанатично экономят воду любой ценой. Другие подключают ночной режим только в стрессе. Третьи вообще творят какой-то гибрид.

Это как если бы все члены одной семьи говорили на одном языке, но с совершенно разными акцентами.

Исследователи захотели понять, почему так. И сделали крутую штуку — расшифровали и сравнили геномы трёх видов клузии с разными стратегиями.

Эволюция методом копипасты

Результат оказался удивительным с точки зрения эволюции.

Все три вида оказались древними полиплоидами. Это значит, что когда-то в их родословной произошла полная дубликация генома — как если бы вы скопировали entire recipe book, а потом ещё раз. Генетического материала стало вдвое больше.

Но лишние копии не лежат мёртвым грузом. За миллионы лет геномы перестраивались, лишнее отбрасывалось, а некоторые гены получали совершенно новые функции.

«Геномы не просто умножились — они были переорганизованы, сокращены и функционально переделаны», — объясняет руководитель исследования Вольфрам Векверт.

Вот эта генетическая пересборка и позволила разным видам клузии разработать собственные версии CAM-фотосинтеза. Природа не изобрела этот механизм один раз и не растиражировала — она изобретала его заново снова и снова внутри одного рода.

Три дерева, три подхода

Чтобы понять, как генетические различия проявляются на практике, исследователи вырастили деревья в теплицах, имитирующих их родные условия, и наблюдали за ними круглосуточно.

Вот что получилось:

Клузия розовая — перфекционист. Она впадает в CAM полностью, каждую ночь запасая огромные количества CO₂ в виде яблочной кислоты. Вода важнее всего, и точка.

Клузия малая — стратег. Живёт обычным фотосинтезом, но когда становится тяжело — засуха, палящее солнце — переключается на ночной режим. Умный подход к ресурсам.

Клузия большая — золотая середина. Использует оба механизма в зависимости от условий. Классический баланс.

Эти различия были не просто наблюдаемы — они отражались в активности генов и метаболизме. Учёные буквально видели связь между геномом и поведением.

А нам-то что с этого?

Хорошо, есть тропические деревья с хитрыми водосберегающими трюками. Причём тут мы?

Вот главное: CAM-растениям нужно воды в разы меньше, чем обычным. Обычная сельскохозяйственная культура постоянно жаждет пить, а CAM-растение может обойтись мизерной долей.

В мире, где климат всё чаще приносит засухи, волны жары и нехватку воды — это очень ценная черта.

Новые геномные данные из исследования могут помочь учёным определить, какие именно процессы делают CAM-растения такими эффективными в плане воды. В будущем эти знания могут лечь в основу новых сортов сельскохозяйственных культур, способных расти в засушливых условиях. А таких условий, увы, становится всё больше.

Это, конечно, долгосрочная перспектива. Но иногда понимание того, как природа решила проблему миллионы лет назад, даёт нам готовые чертежи для решения наших собственных.

Суть

Растения гораздо изобретательнее, чем мы им обычно приписываем. Когда становится тяжело, эволюция начинает импровизировать. Клузия научилась полностью менять распорядок дня — по сути, переходить на ночную смену — чтобы экономить воду и выживать.

Теперь, понимая, как они это сделали, мы, возможно, сможем помочь и нашим культурам.

Так что в следующий раз, когда увидите растение, мирно греющееся на солнце, помните: некоторые из них основную работу делают после заката. И знаете что? Это вполне понятно.

Источник: ScienceDaily