„Генетичната златна мина“ в пустинята Атакама може да е ключът към изхранването в бъдеще

С методите на еволюционната геномика са открити гени, позволяващи на растенията да виреят в пустинята Атакама, предлагайки  възможности за проектиране на по-устойчиви култури, които да могат да се справят с изменението на климата.

Международен екип изследователи идентифицира гени, свързани с оцеляването на растенията в една от най-суровите среди на Земята - пустинята Атакама в Чили. Техните открития, публикувани в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), могат да помогнат на учените да развъждат устойчиви култури, които могат да процъфтяват във все по-сух климат.

„В ера на ускорено изменение на климата е от решаващо значение да се разкрие генетичната основа за подобряване на производството и устойчивостта на културите при сухи и бедни на хранителни вещества условия“, коментира Глория Коруци (Gloria Coruzzi), професор в катедрата по биология на Нюйоркския университет (NYU) и Център за геномика и системна биология, който ръководи изследването заедно с Родриго Гутиерес (Rodrigo Gutiérrez).

^{Чилийски изследователски екип създава несравнима „естествена лаборатория“ в пустинята Атакама в северно Чили, една от най-сухите и сурови среди на Земята. Кредит: Melissa Aguilar}

Изследването е международно сътрудничество между ботаници, микробиолози, еколози, еволюционни и геномни учени. Тази уникална комбинация от специалисти позволява на екипа да идентифицира растенията, свързаните с тях микроби и гените, които позволяват на растенията в Атакама да се адаптират и да процъфтяват в екстремни пустинни условия, което в крайна сметка може да помогне за подобряване на растежа на културите и намаляване на продоволствената несигурност.

„Нашето изследване на растенията в пустинята Атакама е пряко свързано с региони по света, които стават все по-сухи, като фактори като суша, екстремни температури и засоляване на водата и почвата представляват значителна заплаха за глобалното производство на храни“, отбелязва Гутиерес, професор в катедрата по молекулярна генетика и микробиология в Папския католически университет в Чили.

„Естествената лаборатория” на едно от най-сухите места на Земята

Пустинята Атакама в северно Чили, притисната между Тихия океан и Андите, е най-сухото място на планетата (с изключение на полюсите). И все пак там растат десетки растения, включително треви, едногодишни и многогодишни храсти. Освен с ограничената вода, растенията в Атакама трябва да се справят с голямата надморска височина, бедната наличност на хранителни вещества в почвата и изключително високата слънчева радиация.

_{Габриела Караско идентифицира, етикетира, събира и замразява растителни проби в пустинята Атакама. След това тези проби изминават над 1500 км, държани под сух лед, за да бъдат обработени за извличане на РНК в лабораторията на Родриго Гутиерес в Сантяго де Чили. Видовете, които Караско събира тук, са Jarava frigida и Lupinus oreophilus. Кредит: Melissa Aguilar}

Чилийският изследователски екип създава несравнима „естествена лаборатория“ в пустинята Атакама за период от 10 години, в която те събират и характеризират данни за климата, почвата и растенията на 22 места в различни растителни зони и височини (на всеки 100 метра надморска височина). Измервайки различни фактори, те записват температури, които се колебаят с повече от 50 градуса между деня и нощта, много високи нива на радиация, почва, която е предимно пясък и липса на хранителни вещества, и минимални валежи, като повечето годишни валежи падат за няколко дни.

Използване на геномиката за изследване на еволюцията на устойчивите растения

Чилийските изследователи доставят в лабораторията си на 1500 км растителните и почвените проби, консервирани в течен азот, за да секвенират гените, експресирани в 32-те доминиращи растителни вида в Атакама и след това ги сравняват с 32 тясно свързани вида от други места, които нямат генетичните адаптации към околната среда на Атакама.

Те откриват, че някои растителни видове развиват стимулиращи растежа бактерии близо до корените си, адаптивна стратегия за оптимизиране на приема на азот – хранително вещество, важно за растежа на растенията – в бедните на азот почви на Атакама.

"Целта е да се използва това еволюционно дърво, базирано на геномни последователности, за идентифициране на промени в аминокиселинните последователности, кодирани в гените, които подпомагат развитието на адаптацията  на растенията в Атакама към условията на пустинята", коментира Коруци.

„Този ​​интензивен изчислително геномен анализ включва сравняване на 1 686 950 протеинови последователности в повече от 70 вида. Използвахме получената суперматрица от 8 599 764 аминокиселини за филогеномна реконструкция на еволюционната история на видовете в Атакама”, отбелязва Гил Ешел (Gil Eshel), който провежда този анализ, използвайки високопроизводителния компютърен клъстер в Нюйоркския университет.

Техниката за сравнение, наречена филогеномика, която има за цел да реконструира еволюционната история, използвайки геномни данни, идентифицира 265 кандидат-гена, чиито промени в протеиновата последователност са избрани от еволюционните сили в множество видове в Атакама. Тези адаптивни мутации са възникнали в гени, които биха могли да лежат в основата на адаптацията на растенията към пустинните условия, включително гени, участващи в отговор на светлината и фотосинтезата, което може да позволи на растенията да се адаптират към екстремно силно излъчване на светлина в Атакама. По подобен начин изследователите разкриват гени, участващи в регулирането на реакцията на стрес, соленост, детоксикацията и металните йони, които могат да бъдат свързани с адаптирането на тези растения в Атакама към тяхната стресова, бедна на хранителни вещества среда.

По-нататъшен анализ разкрива, че 59 от тези гени се появяват и в един от най-изучаваните моделни организми в растителната биология, Arabidopsis, в който те са свързани с физиологични и молекулярни процеси, които могат да подобрят устойчивостта на растенията в екстремни условия на околната среда, казват изследователите.

С други думи, за тези гени – които са положително селектирани в пустинните растения Атакама – вече е известно, че позволяват на Arabidopsis да издържа на висок радиационен и температурен стрес, регулират развитието на цветовете и времето на цъфтеж, помагат за защита срещу патогени и подпомагат усвояването на вода и хранителни вещества.

Какво можем да научим от тази „генетична златна мина“

По-голямата част от научните познания за реакциите на стрес и толерантността на растенията са генерирани чрез традиционни лабораторни изследвания, използващи няколко моделни вида. Макар и полезни, такива молекулярни изследвания вероятно пропускат екологичния контекст, в който растенията са еволюирали.

„Чрез изучаване на екосистемата в нейната естествена среда успяхме да идентифицираме адаптивни гени и молекулярни процеси сред видовете, изправени пред обща тежка среда“, коментира Вивиана Араус (Viviana Araus) от Папския католически университет в Чили в лабораторията на Гутиерес и бивш постдокторант в Нюйоркския университет, Център по геномика и системна биология.

„Повечето от растителните видове, които характеризирахме в това изследване, не са били изследвани преди. Тъй като някои растения в Атакама са тясно свързани с основни култури, включително зърнени храни, бобови растения и картофи, идентифицираните от нас гени-кандидати представляват генетична златна мина за създаване на по-устойчиви култури, необходимост предвид засиленото превръщане на нашата планета в пустиня“, смята Гутиерес.

Справка: “Plant ecological genomics at the limits of life in the Atacama Desert” 1 November 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.

DOI: 10.1073/pnas.2101177118

Източници: 

“Genetic Goldmine” Uncovered for Plant Survival in One of the Harshest Environments on Earth
New York University

'Genetic Goldmine' in Earth's Harshest Desert Could Be The Key to Feeding The Future
PETER DOCKRILL, sciencealert

Още по темата

21/10/2021

Земята

Точно преди 1000 години европейци са стъпили в Америка (видео)

30/09/2021

Земята

Прашна буря като от „Лудия Макс“ обгръща бразилски град (видео)

06/07/2021

Земята

Как климатичните промени влияят на сектор земеделие?

25/02/2017

Животът

Хората на Атакама са се адаптирали да пият вода с арсен