Ключ к созданию климатически устойчивых сельхозкультур нашелся у роголистников

Ученые давно искали способы помочь растениям преобразовывать больше углекислого газа в биомассу, что могло бы повысить урожайность и бороться с изменением климата. Недавние исследования показывают, что группа уникальных, часто упускаемых из виду растений, называемых роголистниками, имеет значение в этом контексте.

Роголистники представляют собой группу несосудистых эмбриофитов (наземных растений), которые относятся к Anthocerotophyta. Название происходит от удлиненной роговидной структуры, являющейся спорофитом. Подобно мхам и печеночникам, у роголистников гаметофит -доминирующий жизненный цикл, в котором клетки растения несут только один набор генетической информации – плоское, зеленое тело роголистника является стадией гаметофита растения.

Роголистники распространены повсеместно, предпочитая влажные места, в полях и в садах их обычно выпалывают как сорняки.

«Роголистники обладают замечательной способностью, которая уникальна среди наземных растений: у них есть естественный турбокомпрессор для фотосинтеза, - рассказывает Таннер Робисон, аспирант Института Бойса Томпсона (BTI) и первый автор статьи, опубликованной в Nature Plants . - Эта особенность, называемая механизмом концентрации CO₂ (углекислого газа), помогает им фотосинтезировать эффективнее, чем большинство других растений, включая наши жизненно важные продовольственные культуры».

В основе этого механизма лежит структура, называемая пиреноидом, которая действует как микроскопическая камера концентрации CO₂ внутри клеток растения. Пиреноид представляет собой жидкообразный отсек, заполненный ферментом Рубиско, который захватывает CO₂ и превращает его в сахар во время фотосинтеза. Вокруг пиреноида находятся специализированные каналы и ферменты, которые закачивают CO₂, насыщая Рубиско его ключевым сырьем.

«Этот механизм концентрации CO₂ дает роголистникам значительное преимущество, - говорит Лора Ганн, доцент Школы интегративной ботанической науки Корнельского университета. - Рубиско - печально известный неэффективный фермент, поэтому большинство растений тратят много энергии на его склонность реагировать с кислородом. Но, концентрируя CO₂ вокруг Рубиско, роголистники могут максимизировать его эффективность и минимизировать этот расточительный процесс фотодыхания».

Используя передовые методы визуализации и генетический анализ, исследовательская группа обнаружила, что роголистники, вероятно, используют гораздо более простую систему для концентрации CO₂.

В отличие от водорослей, которым требуется сложная техника для закачивания CO₂ в свои клетки, роголистники, вероятно, используют пассивный подход, требующий меньшего количества движущихся частей.

«Это как найти более простую и эффективную конструкцию двигателя, - объяснила Фэй-Вэй Ли, доцент BTI и соавтор исследования. - Эта простота может облегчить проектирование подобных систем на других растениях, например, на основных культурах».

Потенциальное воздействие существенно. Исследовательская группа подсчитала, что установка подобного механизма концентрации CO₂ в сельскохозяйственных культурах может повысить фотосинтез до 60%, что приведет к значительному повышению урожайности без необходимости в дополнительных землях или ресурсах.

Исследование также дает новые знания об эволюции растений. Ученые обнаружили, что механизм концентрации CO₂, вероятно, присутствовал у общего предка всех наземных растений, но только роголистники сохранили и усовершенствовали эту способность за миллионы лет эволюции.

Поскольку мы сталкиваемся с двойными проблемами изменения климата и продовольственной безопасности, это крошечное растение может стать образцом для значимых сельскохозяйственных инноваций. Хотя предстоит еще много работы, прежде чем эта природная технология сможет быть использована в других растениях, открытие предлагает многообещающее новое направление для устойчивого сельского хозяйства.