Ботаники объяснили появление энергоэффективных растений

Срез листа Eriachne ciliata, на котором хорошо видны коричневые проводящие пучки. Фото Edwards lab/Brown University

Ученые проследили эволюцию предков современных злаков и установили, что появление растений, фотосинтез которых идет по энергоэффективному C4-пути, было определено историческими особенностями их анатомии. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, а ее краткое содержание пересказывает сайт Университета Брауна.

Фотосинтез, точнее, та его часть, которая связана с фиксацией углекислого газа, у некоторых растений идет по особому, так называемому С4-пути. Этот путь позволяет более эффективно, чем обычно (при условии достаточного количества света) преобразовывать CO₂ в сахара. Этот способ фотосинтеза в течении эволюции возникал независимо не менее 62 раз, однако растения, которые его "изобрели" чаще всего относятся к особой филогенетической группе (кладе) внутри семейства злаков - PACMAD. До сих пор оставалось непонятным, почему представители этой группы чаще других становились на путь С4.

Ботаники провели микроанатомический анализ строения листьев 157 ныне существующих видов злаков из клады PACMAD (она включает как C4, так и C3-растения) и сестринской клады BEP. Исследователей интересовало строение проводящих пучков, по которым в листьях транспортируется жидкость. Точнее говоря, авторы обратили внимание на размеры и форму клеток обкладки проводящих пучков, которые играют важную роль в фотосинтезе по пути C4 - именно в этих клетках у С4-растений происходит фиксация CO₂.

Используя эволюционное дерево злаков и знание о строении их современных представителей, ученые установили, что возникновение C4 пути было связано с особенностями строения проводящих пучков растений группы PACMAD.

Оказалось, что клетки обкладки у таких растений были увеличены и тесно связаны друг с другом еще задолго до того, как возник сам способ фотосинтеза по пути С4. В то же время у злаков группы BEP клетки обкладки со временем уменьшились и стали не приспособлены для использования нового пути фиксации CO₂.

Фотосинтез по С4 пути проводят многие культурные растения - кукуруза, сахарный тростник и сорго. Во многом, именно такой способ фиксации CO₂ объясняет их экономическую успешность.