Αυτά τα νέα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να προσαρμόσουν τις καλλιέργειες σε ξηρές περιβαλλοντικές συνθήκες στο μέλλον.
Τα φυτά
Τα φυτά βασίζονται στο ηλιακό φως για να μετατρέψουν το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα σε σάκχαρα πλούσια σε ενέργεια και σε οξυγόνο, μέσω διαφόρων μορφών φωτοσύνθεσης. Η ξηρασία μπορεί να καταστήσει αυτή τη διαδικασία πολύ πιο δύσκολη. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Wolfram Weckwerth από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης απέδειξε πώς μια μορφή φωτοσύνθεσης με υψηλή αποδοτικότητα στη χρήση νερού (CAM) εξελίχθηκε με διάφορους, διακριτούς τρόπους εντός ενός γένους τροπικών δέντρων.
Αναλύοντας τα γονιδιώματα τριών ειδών του γένους *Clusia*, οι επιστήμονες εντόπισαν πώς ο διπλασιασμός του γονιδιώματος, ακολουθούμενος από γενετική αναδιάρθρωση, συνέβαλε στην εμφάνιση μιας ευρείας γκάμας χαρακτηριστικών CAM. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό *Nature Communications*.
Γύρω στο 1800, ο Alexander von Humboldt παρατήρησε κάτι απροσδόκητο. Όταν τοποθέτησε το φύλλο ενός τροπικού δέντρου σε νερό, δεν εμφανίστηκαν φυσαλίδες οξυγόνου, παρόλο που το φύλλο ήταν εκτεθειμένο στο ηλιακό φως — σε αντίθεση με ό,τι είχε παρατηρηθεί προηγουμένως. Το φυτό διατηρεί τα στόματά του κλειστά κατά τη διάρκεια της ημέρας, αν και αυτά τα ανοίγματα συνήθως απορροφούν CO₂ και απελευθερώνουν οξυγόνο υπό το φως της ημέρας.
Αυτό μειώνει την απώλεια νερού μέσω της εξάτμισης. Αντ' αυτού, το φυτό απορροφά CO₂ τη νύχτα, το δεσμεύει χημικά και το αποθηκεύει με τη μορφή μηλικού οξέος. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως «φωτοσύνθεση CAM» (Crassulacean Acid Metabolism – Μεταβολισμός Οξέος των Κρασσουλακιδών). Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες είχαν περιορισμένη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίχθηκε αυτή η στρατηγική στο γένος *Clusia* και του λόγου για τον οποίο εμφανίζεται σε πολλαπλές μορφές.
Το γένος *Clusia* περιλαμβάνει τα μοναδικά γνωστά δέντρα που χρησιμοποιούν τη φωτοσύνθεση CAM και παρουσιάζει ένα ασυνήθιστα ευρύ φάσμα φωτοσυνθετικών στρατηγικών. Αυτές κυμαίνονται από την κλασική φωτοσύνθεση C₃, κατά την οποία τα φυτά απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διάρκεια της ημέρας, έως την έντονα ανεπτυγμένη φωτοσύνθεση CAM.
Αυτή η ποικιλομορφία καθιστά το γένος *Clusia* ένα πολύτιμο μοντέλο για τη μελέτη των εξελικτικών μεταβολών μεταξύ διαφορετικών τύπων φωτοσύνθεσης. Οι αναλύσεις έδειξαν ότι και τα τρία είδη *Clusia* είναι αρχαία πολυπλοειδή, πράγμα που σημαίνει ότι τα γονιδιώματά τους πολλαπλασιάστηκαν κατά τη διάρκεια της εξέλιξης (πολυπλοειδοποίηση) και στη συνέχεια αναδιαμορφώθηκαν σε βάθος χρόνου (διπλοειδοποίηση).
Μέτρηση φωτοσύνθεσης στο δέντρο *Clusia minor*
«Κατά τη διαδικασία αυτή, αντίγραφα γονιδίων χάνονται, απενεργοποιούνται ή αποκτούν νέες λειτουργίες», εξηγεί ο κύριος συγγραφέας Hannes Kramml από το Τμήμα Μοριακής Βιολογίας Συστημάτων (Τομέας Λειτουργικής και Εξελικτικής Οικολογίας) του Πανεπιστημίου της Βιέννης. Ο δεύτερος κύριος συγγραφέας, Johannes Herpell, προσθέτει: «Ιδιαίτερα επηρεάζονται τα γονίδια που είναι κρίσιμα για τη νυχτερινή αποθήκευση CO2 στον μεταβολισμό CAM».
Ο επικεφαλής της μελέτης Wolfram Weckwerth εξηγεί περαιτέρω: «Τα γονιδιώματα απλώς πολλαπλασιάστηκαν· μέσα σε εκατομμύρια χρόνια αναδιοργανώθηκαν, συρρικνώθηκαν και επανασυνδέθηκαν λειτουργικά. Αυτή η τεράστια πλαστικότητα εξηγεί τη φυσιολογική ποικιλομορφία του CAM στο γένος *Clusia*.»
Το CAM υπό ρεαλιστικές περιβαλλοντικές συνθήκες
Για να διαπιστώσουν πώς αυτές οι γενετικές διαφορές επηρεάζουν τα φυτά, η ερευνητική ομάδα τα μελέτησε καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας σε συνθήκες θερμοκηπίου που προσομοίαζαν στενά το φυσικό περιβάλλον, χρησιμοποιώντας διαφορετικά επίπεδα διαθεσιμότητας νερού. Συνδύασαν φυσιολογικές μετρήσεις με αναλύσεις της γονιδιακής δραστηριότητας, των πρωτεϊνών και των μεταβολικών προϊόντων. Το *Clusia rosea* παρουσιάζει έντονο μεταβολισμό CAM, με σαφή νυχτερινή αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα υπό τη μορφή μηλικού οξέος.
Το *Clusia minor* ενεργοποιεί τον μεταβολισμό CAM κυρίως υπό συνθήκες στρες, ενώ το *Clusia major* χρησιμοποιεί μια μικτή μορφή φωτοσύνθεσης C3 και CAM. Αυτές οι διαφορές εμφανίζονται σταθερά στα πρότυπα γονιδιακής δραστηριότητας και μεταβολισμού και μπορούν να συσχετιστούν με τις γενετικές αλλαγές που εντοπίστηκαν στη μελέτη.
Στην προκειμένη περίπτωση, το CAM δεν φαίνεται να αποτελεί ένα μεμονωμένο εξελικτικό γεγονός. Αντιθέτως, φαίνεται να έχει προκύψει μέσα από επαναλαμβανόμενες αναδιοργανώσεις του γονιδιώματος, επιτρέποντας σε διαφορετικά είδη να προσαρμοστούν σε πολύ διαφορετικές οικολογικές θέσεις.
Επιπτώσεις για τη γεωργία και την κλιματική ανθεκτικότητα
Τα φυτά CAM καταναλώνουν πολύ λιγότερο νερό, γεγονός που τα καθιστά πολλά υποσχόμενα πρότυπα για καλλιέργειες που ενδέχεται να χρειαστεί να αντέξουν σε ένα θερμότερο και ξηρότερο κλίμα. Τα νέα γονιδιωματικά δεδομένα καθιστούν δυνατή την ταυτοποίηση μεταβολικών διεργασιών που συνδέονται με την αποδοτική δέσμευση του CO2 και τη βελτιωμένη αποδοτικότητα στη χρήση νερού. Με την πάροδο του χρόνου, αυτές οι γνώσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμες να προσαρμόσουν τις καλλιέργειες με μεγαλύτερη ακρίβεια σε ξηρές περιβαλλοντικές συνθήκες.
www.worldenergynews.gr
