Учёные под руководством Вольфрама Веквервта из Венского университета раскрыли, как у нескольких видов тропических деревьев рода Clusia CAM‑фотосинтез возник и развился разными путями внутри одного генетического рода. Сравнивая геномы трёх Clusia с разными фенотипами CAM, команда показала, что древнее полиплоидирование, за которым последовала обширная переорганизация геномов, привели к возникновению разных форм CAM. Эти выводы опубликованы в Nature Communications.

Немало лет назад учёные задавались вопросом: как CAM‑фотосинтез — процесс, при котором растения поглощают CO2 ночью и сохраняют его в виде малиевой кислоты — возник в Clusia и почему у разных видов он реализуется по‑разному. Историческую подсказку даёт очевидный факт из прошлого — около 1800 года Александр фон Гумбольдт отметил, что листья одного тропического дерева выделяют кислородные пузыри даже на солнце, а у другого растения такие пузыри не образуются. Это указывает на необычный дневной режим работы у некоторых Clusia.

Геномный анализ трёх видов Clusia — Clusia rosea, Clusia minor и Clusia major — позволил исследователям увязать различия в CAM с изменениями в генах и их активности. У одних видов CAM выражен ярко, у других — срабатывает только в стрессовых условиях, у третьих — наблюдается гибридная стратегия, сочетающая C3 и CAM. Эти различия прослеживаются как в физиологии, так и в паттернах экспрессии генов и метаболизма.

Общая картина такова: у всех трёх Clusia обнаружены признаки древнего полиплоидирования — увеличение числа хромосомных наборов — и последующая переорганизация геномов, уменьшение копий некоторых генов и наделение других новых функциями. По словам ведущего автора Ханнеса Краммла, «после копирования генов их копии могут исчезнуть, выключиться или получить новые функции». Второй автор, Йоханнес Херппел, добавляет, что «генes, важные для ночного хранения CO2 в CAM‑метаболизме, особенно подвержены изменениям». По мнению руководителя проекта Вольфрама Веквервта, поколения спустя эти перестройки объясняют физиологическое разнообразие CAM в Clusia.

Проведённые serial‑наблюдения в тепличных условиях, близких к естественным, позволили учёным сопоставить генетические различия с тем, как деревья функционируют в реальных условиях. Три вида демонстрируют резкое отличие в подходах: Clusia rosea — сильный CAM, накапливает значительное количество CO2 ночью как малат; Clusia minor активирует CAM преимущественно при стрессах; Clusia major использует гибридную стратегию — сочетает C3 и CAM. Эти различия отражаются в паттернах активности генов и метаболизма, связывая поведение растений с геномной перестройкой.

Авторы подчёркивают, что CAM у Clusia возник не одной эволюционной подршкой, а повторяющимися циклами переорганизации генома. Таким образом, в результате миллионов лет древа растений CAM‑фотосинтез стал несколько версий этой стратегии, что помогло видам адаптироваться к очень разным экологическим нишам.

Полученные геномные данные могут иметь значение и для сельского хозяйства: CAM‑растения требуют существенно меньше воды по сравнению с традиционными формами фотосинтеза. В перспективе это может помочь в разработке культур, устойчивых к засухам. Авторы считают, что понимание ключевых метаболических процессов, отвечающих за эффективное фиксацию CO2 и экономию воды, может привести к созданию культур, лучше приспособленных к сухим условиям.