Tørke-resistente plantegener kunne accelerere udviklingen af ​​vandforbrugende effektive afgrøder

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har identificeret et fælles sæt gener, der gør det muligt for forskellige tørke-resistente planter at overleve i semi-tørre forhold, som kunne spille en væsentlig rolle i bioteknik og skabe energiafgrøder, der er tolerante over for vandunderskud.

Planter trives i tørre områder ved at beholde deres stomata, eller porer, lukket om dagen for at spare på vandet og åbent om natten for at opsamle kuldioxid. Denne form for fotosyntese, kendt som crassulaceansyremetabolisme eller CAM, har udviklet sig over millioner af år, opbygning af vandbesparende egenskaber i anlæg som f.eks Kalanchoë , orkidé og ananas.

"CAM er en gennemprøvet mekanisme til at øge vandforbrugseffektiviteten i planter, " ORNL-medforfatter Xiaohan Yang sagde. "Når vi afslører byggestenene, der udgør CAM-fotosyntesen, vi vil være i stand til at biomanipulere de metaboliske processer af vandtunge afgrøder som ris, hvede, sojabønner og poppel for at fremskynde deres tilpasning til vandbegrænsede miljøer."

Forskere studerer en række tørke-resistente planter for at låse op for mysteriet om CAM-fotosyntese. Til dette arbejde, det ORNL-ledede team sekventerede genomet af Kalanchoë fedtschenkoi , en ny model for CAM-genomisk forskning på grund af dets relativt lille genom og modtagelighed for genetisk modifikation.

Holdet undersøgte og sammenlignede genomerne af K. fedtschenkoi , Phalaenopsis equestris (orkidé) og Ananas comosus (ananas) ved hjælp af ORNL's Titan supercomputer.

"Det er almindeligt accepteret, at nogle ubeslægtede planter udviser lignende egenskaber under lignende miljøforhold, en proces kendt som konvergent evolution, " sagde Yang.

De identificerede 60 gener, der udviste konvergent evolution i CAM-arter, herunder konvergerende genekspressionsændringer om dagen og om natten i 54 gener, samt proteinsekvenskonvergens i seks gener. I særdeleshed, holdet opdagede en ny variant af phosphoenolpyruvat carboxylase, eller PEPC. PEPC er et vigtigt "arbejder" enzym, der er ansvarlig for den natlige fiksering af kuldioxid til æblesyre. Æblesyre omdannes derefter tilbage til kuldioxid til fotosyntese i løbet af dagen.

"Disse konvergente ændringer i genekspression og proteinsekvenser kan introduceres i planter, der er afhængige af traditionel fotosyntese, accelerere deres udvikling til at blive mere effektiv vandforbrug, " sagde Yang. Holdet offentliggjorde deres resultater i Naturkommunikation .

Smart vandforbrug

Planteproduktion er verdens største forbruger af ferskvand. Tilgængeligheden af ​​rene vandressourcer er faldende på grund af urbanisering, menneskelig befolkningstilvækst og ændringer i klimaet, hvilket udgør en udfordring for optimale vækstmiljøer.

For at imødegå denne bekymring, Konstruktion af CAM-fotosyntese til fødevare- og energiafgrøder kan reducere landbrugets vandforbrug og øge afgrødernes modstandsdygtighed, når vandforsyningen er mindre end ønskeligt.

"At studere genomet af vandeffektive planter kan også give indsigt i en plantes evne til at bruge let saltvand og opretholde vækst under højere temperatur og lavere tilgængelighed af rent vand, " sagde Jerry Tuskan, medforfatter og administrerende direktør for Center for Bioenergy Innovation ledet af ORNL. "Hvis vi kan identificere mekanismerne for vandforbrugseffektivitet, vi kunne flytte denne egenskab til agronomiske planter, levere ikke-drikkevand som kunstvanding til disse planter og spar det rene vand til at drikke."