Il team ha utilizzato il supercomputer Titan di ORNL per confrontare i genomi di Kalanchoë fedtschenkoi (ultima fila) e Phalaenopsis equestris , o orchidea (prima fila), così come Ananas Comosus , o ananas. Credito:Jason Richards/Laboratorio nazionale Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno identificato un insieme comune di geni che consentono a diverse piante resistenti alla siccità di sopravvivere in condizioni semi-aride, che potrebbe svolgere un ruolo significativo nella bioingegneria e nella creazione di colture energetiche tolleranti ai deficit idrici.
Le piante prosperano nelle terre aride mantenendo i loro stomi, o pori, chiusi di giorno per conservare l'acqua e aperti di notte per raccogliere anidride carbonica. Questa forma di fotosintesi, noto come metabolismo dell'acido crassulaceo o CAM, si è evoluto nel corso di milioni di anni, costruzione di caratteristiche di risparmio idrico in impianti come Kalanchoë , orchidea e ananas.
"Il CAM è un meccanismo collaudato per aumentare l'efficienza nell'uso dell'acqua negli impianti, Il coautore dell'ORNL Xiaohan Yang ha detto. "Mentre riveliamo gli elementi costitutivi che compongono la fotosintesi CAM, saremo in grado di bioingegnerizzare i processi metabolici di colture ad alto contenuto idrico come il riso, Grano, soia e pioppo per accelerare il loro adattamento ad ambienti con acqua limitata".
Gli scienziati stanno studiando una varietà di piante resistenti alla siccità per svelare il mistero della fotosintesi CAM. Per questo lavoro, il team guidato dall'ORNL ha sequenziato il genoma di Kalanchoë fedtschenkoi , un modello emergente per la ricerca genomica CAM a causa del suo genoma relativamente piccolo e della suscettibilità alla modificazione genetica.
Il team ha studiato e confrontato i genomi di K. fedtschenkoi , Phalaenopsis equestris (orchidea) e Ananas Comosus (ananas) utilizzando il supercomputer Titan di ORNL.
"È ampiamente accettato che alcune piante non correlate presentino caratteristiche simili in condizioni ambientali simili, un processo noto come evoluzione convergente, " ha detto Yang.
Un team di ricerca guidato dall'ORNL ha identificato 60 geni che mostravano un'evoluzione convergente nelle specie del metabolismo degli acidi delle crassulacee, compresa una nuova variante di un enzima "lavoratore" fondamentale per l'efficienza nell'uso dell'acqua delle piante CAM. In rappresentanza della squadra sono, da sinistra, Degao Liu, Rongbin Hu, Xiaohan Yang, Robert C. Mosely e Kaitlin J. Palla. Credito:Jason Richards/Laboratorio nazionale Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Hanno identificato 60 geni che hanno mostrato un'evoluzione convergente nelle specie CAM, compresi i cambiamenti convergenti di espressione genica diurna e notturna in 54 geni, così come la convergenza della sequenza proteica in sei geni. In particolare, il team ha scoperto una nuova variante della fosfoenolpiruvato carbossilasi, o PEPC. Il PEPC è un importante enzima "lavoratore" responsabile della fissazione notturna dell'anidride carbonica nell'acido malico. L'acido malico viene quindi riconvertito in anidride carbonica per la fotosintesi durante il giorno.
"Questi cambiamenti convergenti nell'espressione genica e nelle sequenze proteiche potrebbero essere introdotti nelle piante che si basano sulla fotosintesi tradizionale, accelerare la loro evoluzione per diventare più efficienti nell'uso dell'acqua, " ha detto Yang. Il team ha pubblicato i risultati in Comunicazioni sulla natura .
Xiaohan Yang dell'ORNL ha guidato un team che ha identificato un insieme comune di geni che consentono a diverse piante resistenti alla siccità di sopravvivere in condizioni semi-aride. Questa scoperta potrebbe svolgere un ruolo significativo nella bioingegneria delle colture energetiche tolleranti ai deficit idrici. Credito:Jason Richards/Laboratorio nazionale Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Uso intelligente dell'acqua
La produzione agricola è il maggior consumatore mondiale di acqua dolce. La disponibilità di risorse idriche pulite si sta riducendo a causa dell'urbanizzazione, crescita della popolazione umana e cambiamenti climatici, che rappresenta una sfida per ambienti di crescita ottimali.
Per affrontare questa preoccupazione, l'ingegnerizzazione della fotosintesi CAM in colture alimentari ed energetiche potrebbe ridurre l'uso di acqua agricola e aumentare la resilienza delle colture quando l'approvvigionamento idrico è meno che desiderabile.
"Lo studio del genoma delle piante efficienti dal punto di vista idrico può anche fornire informazioni sulla capacità di una pianta di utilizzare acqua leggermente salina e mantenere la crescita a temperature più elevate e una minore disponibilità di acqua pulita, "ha detto Jerry Tuskan, coautore e amministratore delegato del Center for Bioenergy Innovation guidato da ORNL. "Se siamo in grado di identificare i meccanismi per l'efficienza nell'uso dell'acqua, potremmo trasferire questo tratto nelle piante agronomiche, fornire acqua non potabile come irrigazione a quelle piante e conservare l'acqua pulita per bere".
