درباره مطالعه
این یافتههای جدید میتواند به دانشمندان کمک کند تا در آینده محصولات را با شرایط محیطی خشک سازگار کنند.
گیاهان برای تبدیل آب و دیاکسید کربن به قندهای پرانرژی و اکسیژن از طریق اشکال مختلف فتوسنتز به نور خورشید وابستهاند. خشکسالی میتواند این فرآیند را بسیار دشوارتر کند. گروهی از پژوهشگران به سرپرستی وولفرام وکرورت در دانشگاه وین اکنون نشان دادهاند که چگونه نسخهای بسیار کارآمد از فتوسنتز از نظر مصرف آب (CAM) در چندین روش متمایز در یک سرده درختان استوایی تکامل یافته است.
با تحلیل ژنومهای سه گونه در سرده Clusia (کلاسیا)، دانشمندان ردیابی کردند که چگونه تکثیر ژنوم و بازآرایی ژنتیکی پس از آن، منجر به تولید طیف وسیعی از ویژگیهای CAM شد. نتایج این پژوهش اخیراً در مجله Nature Communications منتشر شده است.
حدود سال ۱۸۰۰، الکساندر فون هامبولت متوجه نکتهای غیرمنتظره شد. هنگامی که برگ یک درخت استوایی را در آب قرار داد، هیچ حباب اکسیژنی ظاهر نشد، هرچند برگ در معرض نور خورشید بود، برخلاف آنچه قبلاً مشاهده شده بود. گیاه روزنههای (stomata) خود را در طول روز بسته نگه میدارد، هرچند این منافذ معمولاً در طول روز CO2 را جذب و اکسیژن را آزاد میکنند.
این کار باعث کاهش اتلاف آب از طریق تبخیر میشود. در عوض، گیاه در شب CO2 را جذب، به صورت شیمیایی متصل و به صورت اسید مالیک ذخیره میکند. این فرآیند به عنوان «فتوسنتز CAM» (متابولیسم اسید کراسولاسه) شناخته میشود. تا کنون، دانشمندان تنها درک محدودی از چگونگی تکامل این استراتژی در سرده Clusia و دلیل ظهور آن به اشکال مختلف داشتند.
CAM در شرایط محیطی واقعی
برای این مطالعه، ژنومهای سه گونه Clusia با فنوتیپهای مختلف CAM تحلیل شدند: Clusia rosea، Clusia minor و Clusia major. گروه پژوهشی دادههای مولکولی را با اندازهگیریهای فیزیولوژیکی جمعآوری شده تحت شرایط محیطی واقعی جفت کرد.
سرده Clusia شامل تنها درختان شناخته شدهای است که از CAM استفاده میکنند و طیف غیرمعمولی 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 بسیار توسعهیافته را شامل میشود.
این تنوع، Clusia را به مدلی ارزشمند برای مطالعه تغییرات تکاملی بین انواع مختلف فتوسنتز تبدیل میکند. تحلیلها نشان دادند که هر سه گونه Clusia پلیپلوئیدهای باستانی هستند، به این معنی که ژنومهای آنها در طول تکامل چند برابر شده (پلیپلوئیدیزاسیون) و سپس در بازههای زمانی طولانی بازآرایی شدهاند (دیپلوئیدیزاسیون).
پیامدها برای کشاورزی و تابآوری اقلیمی
«در این فرآیند، کپیهای ژنی از بین میروند، غیرفعال میشوند یا کارکردهای جدیدی پیدا میکنند»، هانس کرامل، نویسنده اصلی از بخش زیستشناسی مولکولی سیستماتیک، دانشکده اکولوژی کارکردی و تکاملی در دانشگاه وین، توضیح میدهد. یوهانس هرپل، نویسنده دوم، اضافه میکند: «ژنهای حیاتی برای ذخیرهسازی شبانه CO2 در متابولیسم CAM به صورت ویژهای تحت تأثیر قرار گرفتهاند.»
وولفرام وکرورت، سرپرست مطالعه، ادامه میدهد: «ژنومها صرفاً چند برابر نشدهاند؛ در طول میلیاردها سال، آنها بازآرایی، کاهش و از نظر کارکردی سیمکشی مجدد شدهاند. این انعطافپذیری عظیم، تنوع فیزیولوژیک CAM در سرده Clusia را توضیح میدهد.»
برای مشاهده اینکه چگونه این تفاوتهای ژنتیکی بر گیاهان تأثیر میگذارند، گروه آنها را در طول روز در شرایط گلخانهای که بسیار شبیه به طبیعت بود، با سطوح مختلف دسترسی به آب مطالعه کردند. آنها اندازهگیریهای فیزیولوژیک را با تحلیلهای فعالیت ژنی، پروتئینها و محصولات متابولیک ترکیب کردند. Clusia rosea CAM قوی را نشان میدهد، با ذخیرهسازی واضح شبانه دیاکسید کربن به صورت اسید مالیک.
Clusia minor عمدتاً در طول استرس CAM را فعال میکند، در حالی که Clusia major از شکل ترکیبی از فتوسنتز C3 و CAM استفاده میکند. این تفاوتها به صورت مداوم در الگوهای فعالیت ژنی و متابولیسم ظاهر میشوند و میتوان آنها را به تغییرات ژنتیکی شناسایی شده در مطالعه مرتبط کرد.
در این مورد، CAM شبیه به یک رویداد تکاملی منفرد به نظر نمیرسد. در عوض، به نظر میرسد که از طریق بازآرایی مکرر ژنومی پدید آمده است، که به گونههای مختلف اجازه میدهد با نیچهای اکولوژیک بسیار متفاوت سازگار شوند.
گیاهان CAM از آب بسیار کمتری استفاده میکنند، که آنها را به مدلهای امیدوارکنندهای برای محصولاتی تبدیل میکند که ممکن است نیاز به تحمل اقلیم گرمتر و خشکتر داشته باشند. دادههای ژنومی جدید امکان شناسایی فرآیندهای متابولیک مرتبط با تثبیت کارآمد CO2 و بهبود کارآمدی آب را فراهم میکنند. در طول زمان، این بینشها میتوانند به دانشمندان کمک کنند تا محصولات را دقیقتر برای شرایط محیطی خشک سازگار کنند.
مرجع: «ژنومهای Clusia نوری بر تکامل و تنوع فنوتیپهای متابولیسم اسید کراسولاسه میاندازد» توسط هانس ام. کرامل، یوهانس بی. هرپل، کلارا پریمر، زوی وسلی، فلوریان شیندلر، آندریاس برگر، ماکسیمیلیان کِلنر، اشتفان پلوت، آگنس دوهوویتس، تامارا اشمیت، پیتر کرپان، لیلا افجهی-سادات، پالاک چاتورودی، آریندام گهتاک، مارتین برنر، ایرو پیریدس، لنا فراگنر، اوا ام. تمسچ، فابیو ترِویسان، منریتی ابراهیم، فلیکس فروموالد، آنکه بلر، اولگ سیماکوف، ورنر هوبر، اولریچ لوتگه، اوویدیو پائون، سوزان ویکه، هانا وایس-شنوایس، گرت باخمان و وولفرام وکرورت، ۵ می ۲۰۲۶، Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-026-71958-z
هیچ پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در گوگل و گوگل نیوز دنبال کنید.