Скрытая ДНК в растениях раскрывает секреты фотосинтеза

Ученые обнаружили генетическую изменчивость в неизученной ДНК фотосинтетических и энергетических фабрик растений Arabidopsis, которая играет решающую роль в эффективности фотосинтеза в растениях. Эти идеи, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, прокладывают путь к более продуктивным, устойчивым к изменению климата культурам, которые могли бы способствовать устойчивой глобальной продовольственной безопасности.

Помимо хромосом, растительные клетки содержат органеллы в своих ядрах. Это небольшие специализированные отсеки со специфическими функциями, такие как хлоропласты для фотосинтеза (поглощение солнечной энергии и CO₂ для производства сахаров) и митохондрии (выделение энергии из сахаров). И хлоропласты, и митохондрии содержат около 100–150 генов, которые кодируют белки, необходимые для их функционирования.

Для правильного функционирования растений необходима оптимальная координация между хромосомными, хлоропластическими и митохондриальными генами. Однако до сих пор было мало известно о значимости органеллярной генетической изменчивости и о том, как она влияет на производительность растений.

Исследователи из Wageningen University & Research (WUR) и Michigan State University меняют это. В своем исследовании они демонстрируют, что генетическая изменчивость в хлоропластной и митохондриальной ДНК играет ключевую роль в изменчивости фотосинтеза среди растений Arabidopsis thaliana (кресс-салат Таля).

«Раньше невозможно было изучить роль вариаций в хлоропластах и митохондриях, особенно в производстве энергии и фотосинтезе, но теперь это возможно», — объясняет Марк Аартс, профессор генетики растений в WUR, руководивший исследованием.

Для своего исследования авторы разработали новый метод создания так называемых цибридов в больших масштабах. В цибриде исходные хлоропласты и митохондрии заменяются на те, что взяты из другого растения.

«Объединив хромосомы одного из четырех различных растений Arabidopsis с хлоропластами и митохондриями одного из 60 других растений Arabidopsis, мы смогли создать 240 уникальных цибридов», — говорит Аартс.

Растения, использованные в исследовании, происходят из самых разных мест Европы, Азии и Африки — естественного ареала произрастания Arabidopsis.

Это первый раз, когда был получен такой большой набор цибридов. По словам Аартса, это показывает, что этот подход может быть применен и к сельскохозяйственным культурам , что делает аналогичный метод доступным для компаний, занимающихся селекцией растений.

«Раньше изучение вклада хлоропластических и митохондриальных изменений в выработку энергии и фотосинтез в растениях было очень сложным и трудоемким занятием, но теперь это осуществимо», - сказал он.

Эффективность фотосинтеза растений в полевых условиях довольно низкая по сравнению с солнечными панелями. Сельскохозяйственные культуры в среднем используют лишь около 1% солнечной энергии, которая достигает растения. Более ранние исследования показали, что эта эффективность, в принципе, может быть в 5–6 раз выше. Раскрытие этого потенциала является целью текущих исследований в Институте Яна Ингенхауза в Вагенингене, где в настоящее время работают двое авторов статьи.

В прошлом усилия по улучшению фотосинтеза были сосредоточены в основном на использовании генетической изменчивости в хромосомах. По словам Марка Аартса, это открытие расширяет возможности для ученых-растениеводов и селекционеров по исследованию и улучшению производства энергии и фотосинтеза . Это может способствовать появлению будущих сортов сельскохозяйственных культур, которые будут лучше приспособлены для захвата и использования энергии для оптимального роста.

«Повышение способности сельскохозяйственных культур улавливать солнечную энергию и давать надежные урожаи в различных условиях окружающей среды имеет решающее значение для обеспечения растущего населения планеты устойчивыми к изменению климата, крепкими культурами, выращиваемыми экологически устойчиво», - резюмировал Аартс.