Teamet använde ORNL:s superdator Titan för att jämföra genomen av Kalanchoë fedtschenkoi (bakre raden) och Phalaenopsis equestris , eller orkidé (främre raden), såväl som Ananas comosus , eller ananas. Kredit:Jason Richards/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har identifierat en gemensam uppsättning gener som gör det möjligt för olika torka-resistenta växter att överleva i halvtorra förhållanden, som skulle kunna spela en betydande roll i bioteknik och skapa energigrödor som är toleranta för vattenbrist.
Växter trivs i torra områden genom att behålla sina stomata, eller porer, stängt under dagen för att spara vatten och öppet på natten för att samla upp koldioxid. Denna form av fotosyntes, känd som crassulacean syra metabolism eller CAM, har utvecklats under miljontals år, bygga vattenbesparande egenskaper i växter som t.ex Kalanchoë , orkidé och ananas.
"CAM är en beprövad mekanism för att öka vattenanvändningseffektiviteten i växter, " ORNL medförfattare Xiaohan Yang sa. "När vi avslöjar byggstenarna som utgör CAM fotosyntes, vi kommer att kunna biokonstruera metaboliska processer av vattentunga grödor som ris, vete, sojabönor och poppel för att påskynda deras anpassning till vattenbegränsade miljöer."
Forskare studerar en mängd olika torkbeständiga växter för att låsa upp mysteriet med CAM-fotosyntes. För detta arbete, det ORNL-ledda laget sekvenserade genomet av Kalanchoë fedtschenkoi , en framväxande modell för CAM-genomforskning på grund av dess relativt lilla genom och mottaglighet för genetisk modifiering.
Teamet undersökte och jämförde genomen av K. fedtschenkoi , Phalaenopsis equestris (orkidé) och Ananas comosus (ananas) med hjälp av ORNLs superdator Titan.
"Det är allmänt accepterat att vissa icke-relaterade växter uppvisar liknande egenskaper under liknande miljöförhållanden, en process som kallas konvergent evolution, " sa Yang.
En ORNL-ledd forskargrupp identifierade 60 gener som uppvisade konvergent evolution i arter av crassulaceansyrametabolism, inklusive en ny variant av ett "arbetarenzym" som är avgörande för CAM-växters vattenanvändningseffektivitet. Representanter för laget är, från vänster, Degao Liu, Rongbin Hu, Xiaohan Yang, Robert C. Mosely och Kaitlin J. Palla. Kredit:Jason Richards/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
De identifierade 60 gener som uppvisade konvergent evolution i CAM-arter, inklusive konvergenta genuttrycksförändringar dagtid och natt i 54 gener, såväl som proteinsekvenskonvergens i sex gener. Särskilt, teamet upptäckte en ny variant av fosfoenolpyruvatkarboxylas, eller PEPC. PEPC är ett viktigt "arbetar"-enzym som ansvarar för den nattliga fixeringen av koldioxid till äppelsyra. Äppelsyra omvandlas sedan tillbaka till koldioxid för fotosyntes under dagen.
"Dessa konvergerande förändringar i genuttryck och proteinsekvenser kan introduceras i växter som förlitar sig på traditionell fotosyntes, påskynda deras utveckling för att bli mer effektiva i vattenanvändningen, " sa Yang. Teamet publicerade sina resultat i Naturkommunikation .
ORNL:s Xiaohan Yang ledde ett team som identifierade en gemensam uppsättning gener som gör det möjligt för olika torka-resistenta växter att överleva i halvtorra förhållanden. Detta fynd skulle kunna spela en betydande roll i biotekniska energigrödor som tål vattenbrist. Kredit:Jason Richards/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
Smart vattenanvändning
Växtodling är världens största konsument av sötvatten. Tillgången på rena vattenresurser krymper på grund av urbanisering, mänsklig befolkningstillväxt och klimatförändringar, vilket innebär en utmaning för optimala odlingsmiljöer.
För att ta itu med denna oro, Att konstruera CAM-fotosyntes till mat- och energigrödor kan minska jordbrukets vattenanvändning och öka grödors motståndskraft när vattentillförseln är mindre än önskvärt.
"Att studera genomet av vatteneffektiva växter kan också ge insikter i en växts förmåga att använda lätt saltvatten och bibehålla tillväxt under högre temperatur och lägre tillgång till rent vatten, sa Jerry Tuskan, medförfattare och verkställande direktör för Center for Bioenergy Innovation ledd av ORNL. "Om vi kan identifiera mekanismerna för effektiv vattenanvändning, vi skulle kunna flytta denna egenskap till agronomiska växter, leverera icke-drickbart vatten som bevattning till dessa växter och spara det rena vattnet för att dricka."
