Тропические деревья дышат ночью, чтобы пережить засуху

Слева: Clusia в облачном лесу Монтеверде, Коста-Рика. Справа: цветок Clusia grandiflora. Необычная смола этих цветов привлекает пчёл. Фото: Вольфрам Векверт

Растения используют несколько способов превращать воду и углекислый газ в богатые энергией сахара и кислород с помощью солнечного света (фотосинтез). Но когда воды становится мало, этот процесс сильно усложняется.

Исследователи под руководством Вольфрама Векверта из Венского университета выяснили, как особенно водосберегающая форма фотосинтеза (CAM) развивалась несколькими путями внутри одного рода тропических деревьев. Сравнив геномы трёх видов Clusia, команда проследила, как древнее удвоение генома, а затем обширная генетическая перестройка помогли сформировать разные формы CAM. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Загадка фотосинтеза, которой 200 лет

Около 1800 года Александр фон Гумбольдт заметил нечто необычное, изучая тропическое дерево. Он поместил один из его листьев в воду и обнаружил, что даже на солнце лист не выделял пузырьки кислорода, которые он наблюдал прежде.

Объяснение кроется в необычном суточном распорядке растения. Его устьица — микроскопические поры, которые обычно днём поглощают CO₂ и выделяют кислород, — остаются закрытыми, пока светит солнце, что снижает потери воды через испарение. Вместо этого растение поглощает CO₂ ночью, химически связывает его и запасает в виде яблочной кислоты.

Эта стратегия известна как «CAM-фотосинтез» (кислотный метаболизм толстянковых). Хотя учёные давно знают, как работает CAM, оставалось неясным, как именно он возник внутри рода Clusia и почему разные виды используют его по-разному.

Сравнение геномов трёх тропических деревьев

Для исследования учёные проанализировали геномы трёх видов Clusia с разными CAM-фенотипами: Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major. Они объединили молекулярные данные с измерениями того, как растения работали в реалистичных условиях окружающей среды.

Род Clusia особенно ценен для изучения эволюции фотосинтеза, поскольку включает единственные известные деревья, использующие CAM. Его виды также демонстрируют необычайно широкий диапазон фотосинтетических стратегий — от обычного C₃-фотосинтеза, при котором углекислый газ поглощается днём, до очень выраженного CAM.

Такое разнообразие даёт учёным редкую возможность изучить, как растения могут переходить между разными формами фотосинтеза.

Древнее удвоение генома перестроило фотосинтез

Геномный анализ показал, что все три вида Clusia — древние полиплоиды. В какой-то момент их эволюционной истории геномы были умножены (полиплоидизация). Затем в течение долгого времени эти увеличенные геномы перестраивались и преобразовывались (диплоидизация).

«В этом процессе копии генов теряются, деактивируются или приобретают новые функции», — объясняет ведущий автор Ханнес Краммль из отдела молекулярной системной биологии департамента функциональной и эволюционной экологии Венского университета.

Второй ведущий автор Йоханнес Херпелль добавляет: «Гены, критически важные для ночного запасания CO₂ в CAM-метаболизме, затронуты особенно сильно».

Вместо того чтобы просто нести дополнительные копии одних и тех же генов, растения постепенно превратили эти удвоенные геномы во что-то иное.

«Геномы не просто размножились; за миллионы лет они были реорганизованы, сокращены и функционально перестроены. Эта огромная пластичность объясняет физиологическое разнообразие CAM в роде Clusia», — поясняет руководитель исследования Вольфрам Векверт.

Разные деревья используют CAM по-разному

Затем исследователи изучили, как эти генетические различия влияют на сами растения. Они наблюдали за деревьями в течение дня в почти естественных тепличных условиях, варьируя количество доступной воды.

Команда объединила измерения физиологии растений с анализом активности генов, белков и продуктов метаболизма.

Три вида продемонстрировали поразительно разные подходы. Clusia rosea использует сильный CAM и запасает значительные объёмы углекислого газа в виде яблочной кислоты ночью. Clusia minor в основном включает CAM при стрессе. Clusia major использует гибридную стратегию, сочетающую C₃-фотосинтез и CAM.

Эти физиологические различия также проявились в картинах активности генов и метаболизма, что позволило учёным связать поведение растений с выявленными геномными изменениями.

Результаты позволяют предположить, что CAM внутри рода Clusia возник не в результате одного эволюционного события. Вместо этого повторяющиеся раунды геномной реорганизации, по-видимому, породили разные версии водосберегающей стратегии, помогая отдельным видам адаптироваться к совершенно разным экологическим нишам.

Подсказки для более засухоустойчивых культур

Результаты в конечном итоге могут иметь значение не только для тропических деревьев.

CAM-растениям требуется значительно меньше воды, чем растениям, полностью полагающимся на более традиционные формы фотосинтеза, что делает их потенциально полезными моделями для создания климатически устойчивых культур.

Новая геномная информация может помочь исследователям выявить метаболические процессы, отвечающие за эффективную фиксацию CO₂ и высокую эффективность использования воды. В долгосрочной перспективе эти знания могут помочь учёным вывести культуры, лучше приспособленные к засушливым условиям.

Источники:

Материалы предоставлены Венским университетом.

Hannes M. Kramml, Johannes B. Herpell, Clara Priemer, Zoe Wessely, Florian Schindler, Andreas Berger, Maximilian Kellner, Stefan Plott, Ágnes Dohovits, Tamara Schmidt, Peter Kerpan, Leila Afjehi-Sadat, Palak Chaturvedi, Arindam Ghatak, Martin Brenner, Iro Pierides, Lena Fragner, Eva M. Temsch, Fabio Trevisan, Menriti Ibrahim, Felix Fromwald, Anke Bellaire, Oleg Simakov, Werner Huber, Ulrich Lüttge, Ovidiu Paun, Susann Wicke, Hanna Weiss-Schneeweiss, Gert Bachmann, Wolfram Weckwerth. Clusia genomes shed light on the evolution and diversity of crassulacean acid metabolism physiotypes. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-71958-z