گیاهان برای تبدیل آب و دی‌اکسید کربن به قندهای پرانرژی و اکسیژن از طریق اشکال مختلف فتوسنتز به نور خورشید وابسته هستند. خشکسالی می‌تواند این فرآیند را بسیار دشوارتر کند. یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی ولفرام وک‌ورث در دانشگاه وین اکنون نشان داده است که چگونه یک نسخه بسیار کم‌مصرف آب از فتوسنتز (CAM) در یک سرده از درختان گرمسیری به چندین روش متمایز تکامل یافته است.
دانشمندان با تجزیه و تحلیل ژنوم سه گونه از سرده Clusia، ردگیری کردند که چگونه دو برابر شدن ژنوم و سپس بازآرایی ژنتیکی به تولید طیف گسترده‌ای از ویژگی‌های CAM کمک کرده است. نتایج اخیرا در مجله Nature Communications منتشر شده است.
حدود سال ۱۸۰۰، الکساندر فون هومبولت چیزی غیرمنتظره را مشاهده کرد. وقتی او برگ یک درخت گرمسیری را در آب قرار داد، هیچ حباب اکسیژنی ظاهر نشد، حتی با اینکه برگ در معرض نور خورشید بود، برخلاف آنچه پیش‌تر مشاهده شده بود. این گیاه روزنه‌های خود را در طول روز بسته نگه می‌دارد، حتی با اینکه این منافذ معمولا در روشنایی روز دی‌اکسید کربن را جذب و اکسیژن را آزاد می‌کنند.
این کار اتلاف آب از طریق تبخیر را کاهش می‌دهد. در عوض، گیاه در شب دی‌اکسید کربن را جذب می‌کند، آن را به صورت شیمیایی متصل کرده و به شکل اسید مالیک ذخیره می‌کند. این فرآیند به عنوان «فتوسنتز CAM» (متابولیسم اسید کراسولاسه) شناخته می‌شود. تاکنون، دانشمندان درک محدودی از چگونگی تکامل این استراتژی در سرده Clusia و دلیل ظاهر شدن آن در اشکال متعدد داشتند.
درباره این مطالعه
برای این مطالعه، ژنوم سه گونه Clusia با فنوتیپ‌های مختلف CAM تجزیه و تحلیل شد: Clusia rosea، Clusia minor و Clusia major. گروه تحقیقاتی داده‌های مولکولی را با اندازه‌گیری‌های فیزیولوژیکی جمع‌آوری‌شده در شرایط محیطی واقع‌گرایانه جفت کرد.
سرده Clusia شامل تنها درختان شناخته‌شده‌ای است که از CAM استفاده می‌کنند و طیف غیرمعمول گسترده‌ای از استراتژی‌های فتوسنتزی را نشان می‌دهد. این طیف از فتوسنتز کلاسیک C₃، که در آن گیاهان در طول روز دی‌اکسید کربن جذب می‌کنند، تا CAM قویا توسعه‌یافته متغیر است.
این تنوع، Clusia را به مدلی ارزشمند برای مطالعه تغییرات تکاملی میان انواع مختلف فتوسنتز تبدیل می‌کند. تحلیل‌ها نشان داد که هر سه گونه Clusia پلی‌پلوئیدهای باستانی هستند، یعنی ژنوم‌های آن‌ها در طول تکامل چند برابر شده (پلی‌پلوئیدیزاسیون) و سپس در بازه‌های زمانی طولانی بازشکل‌دهی شده‌اند (دی‌پلوئیدیزاسیون).
«در این فرآیند، نسخه‌های ژن گم می‌شوند، غیرفعال می‌شوند یا عملکردهای جدیدی به خود می‌گیرند»، این را نویسنده اصلی هانس کرامل از بخش زیست‌شناسی سیستم‌های مولکولی، گروه بوم‌شناسی عملکردی و تکاملی، در دانشگاه وین توضیح می‌دهد. نویسنده اصلی دوم یوهانس هرپل اضافه می‌کند: «ژن‌های حیاتی برای ذخیره‌سازی شبانه دی‌اکسید کربن در متابولیسم CAM به‌ویژه تحت تأثیر قرار می‌گیرند.»
سرپرست مطالعه ولفرام وک‌ورث در ادامه توضیح می‌دهد:
ژنوم‌ها صرفا چند برابر نشده‌اند؛ در طول میلیون‌ها سال، آن‌ها بازسازمان‌دهی، کاهش و بازسیم‌کشی عملکردی شده‌اند. این انعطاف‌پذیری عظیم، تنوع فیزیولوژیکی CAM در سرده Clusia را توضیح می‌دهد.
CAM در شرایط محیطی واقع‌گرایانه
برای مشاهده اینکه این تفاوت‌های ژنتیکی چگونه بر گیاهان تأثیر می‌گذارند، این گروه آن‌ها را در طول روز در شرایط گلخانه‌ای که closely به طبیعت شباهت داشت، با سطوح مختلف دسترسی به آب مطالعه کردند. آن‌ها اندازه‌گیری‌های فیزیولوژیکی را با تحلیل‌های فعالیت ژن، پروتئین‌ها و محصولات متابولیکی ترکیب کردند. Clusia rosea CAM قوی نشان می‌دهد، با ذخیره‌سازی شبانه واضح دی‌اکسید کربن به شکل اسید مالیک.
Clusia minor عمدتا در زمان تنش CAM را فعال می‌کند، در حالی که Clusia major از شکل ترکیبی فتوسنتز C₃ و CAM استفاده می‌کند. این تفاوت‌ها به طور مداوم در الگوهای فعالیت ژن و متابولیسم ظاهر می‌شوند و می‌توان آن‌ها را با تغییرات ژنتیکی شناسایی‌شده در این مطالعه مرتبط کرد.
در این مورد، CAM مانند یک رویداد تکاملی واحد به نظر نمی‌رسد. در عوض، به نظر می‌رسد از طریق بازسازمان‌دهی مکرر ژنومی ظهور کرده است که به گونه‌های مختلف اجازه می‌دهد با نیچ‌های بوم‌شناختی بسیار متفاوتی سازگار شوند.
پیامدها برای کشاورزی و تاب‌آوری اقلیمی
گیاهان CAM آب بسیار کمتری مصرف می‌کنند و آن‌ها را به مدل‌های امیدوارکننده‌ای برای محصولاتی تبدیل می‌کند که ممکن است نیاز به مقاومت در برابر اقلیم گرم‌تر و خشک‌تر داشته باشند. داده‌های ژنومی جدید امکان شناسایی فرآیندهای متابولیکی مرتبط با تثبیت کارآمد دی‌اکسید کربن و بهبود بهره‌وری آب را فراهم می‌کند. با گذشت زمان، این بینش‌ها می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا محصولات کشاورزی را برای شرایط محیطی خشک با دقت بیشتری سازگار کنند.
منبع: Scitechdaily
