Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een gemeenschappelijke reeks genen geïdentificeerd die verschillende droogteresistente planten in staat stellen te overleven in semi-aride omstandigheden, die een belangrijke rol kunnen spelen in bio-engineering en het creëren van energiegewassen die tolerant zijn voor watertekorten.

Planten gedijen in droge gebieden door hun huidmondjes te behouden, of poriën, overdag gesloten om water te besparen en 's nachts open om koolstofdioxide op te vangen. Deze vorm van fotosynthese, bekend als crassulaceanzuurmetabolisme of CAM, heeft zich in de loop van miljoenen jaren ontwikkeld, het bouwen van waterbesparende eigenschappen in planten zoals: Kalanchoë , orchidee en ananas.

"CAM is een bewezen mechanisme voor het verhogen van de efficiëntie van het watergebruik in planten, " ORNL co-auteur Xiaohan Yang zei. "Terwijl we de bouwstenen onthullen die deel uitmaken van CAM-fotosynthese, zullen we in staat zijn om de metabolische processen van waterrijke gewassen zoals rijst, tarwe, sojabonen en populier om hun aanpassing aan waterbeperkte omgevingen te versnellen."

Wetenschappers bestuderen een verscheidenheid aan droogteresistente planten om het mysterie van CAM-fotosynthese te ontrafelen. Voor dit werk, het door ORNL geleide team heeft het genoom van Kalanchoë fedtschenkoi , een opkomend model voor CAM-genomics-onderzoek vanwege het relatief kleine genoom en de vatbaarheid voor genetische modificatie.

Het team onderzocht en vergeleek de genomen van K. fedtschenkoi , Phalaenopsis equestris (orchidee) en Ananas comosus (ananas) met behulp van ORNL's Titan-supercomputer.

"Het is algemeen aanvaard dat sommige niet-verwante planten vergelijkbare kenmerken vertonen onder vergelijkbare omgevingsomstandigheden, een proces dat bekend staat als convergente evolutie, ' zei Yang.

Ze identificeerden 60 genen die convergente evolutie vertoonden in CAM-soorten, inclusief convergente genexpressieveranderingen overdag en 's nachts in 54 genen, evenals eiwitsequentieconvergentie in zes genen. Vooral, het team ontdekte een nieuwe variant van fosfoenolpyruvaatcarboxylase, of PEPC. PEPC is een belangrijk "werk"-enzym dat verantwoordelijk is voor de nachtelijke fixatie van kooldioxide in appelzuur. Appelzuur wordt vervolgens gedurende de dag weer omgezet in koolstofdioxide voor fotosynthese.

"Deze convergerende veranderingen in genexpressie en eiwitsequenties zouden kunnen worden geïntroduceerd in planten die afhankelijk zijn van traditionele fotosynthese, hun evolutie versnellen om efficiënter met water om te gaan, " zei Yang. Het team publiceerde hun bevindingen in Natuurcommunicatie .

Slim watergebruik

De gewasproductie is 's werelds grootste verbruiker van zoet water. Beschikbaarheid van schoon water neemt af door verstedelijking, de groei van de menselijke bevolking en veranderingen in het klimaat, wat een uitdaging vormt voor optimale kweekomgevingen.

Om aan deze zorg tegemoet te komen, het engineeren van CAM-fotosynthese in voedsel- en energiegewassen zou het watergebruik in de landbouw kunnen verminderen en de veerkracht van gewassen kunnen vergroten wanneer de watervoorziening minder is dan wenselijk.

"Het bestuderen van het genoom van waterefficiënte planten kan ook inzicht geven in het vermogen van een plant om licht zout water te gebruiken en de groei te behouden bij hogere temperaturen en een lagere beschikbaarheid van schoon water, " zei Jerry Tuskan, co-auteur en chief executive officer van het Center for Bioenergy Innovation onder leiding van ORNL. "Als we de mechanismen voor efficiënt watergebruik kunnen identificeren, we zouden deze eigenschap kunnen verplaatsen naar agronomische planten, lever niet-drinkbaar water als irrigatie aan die planten en bewaar het schone water om te drinken."