Заводы процветают в суше, держа их устьица или поры, закрываются в течение дня, чтобы сохранить воду и открытый ночью, чтобы собрать углекислый газ. Эта форма фотосинтеза, известного как crassulacean кислотный метаболизм или КУЛАК, развила более чем миллионы лет, строя особенности экономии воды на заводах, таких как Kalanchoe, орхидея и ананас.«КУЛАК – доказанный механизм для увеличения эффективности водного использования на заводах», сказал соавтор ORNL Ксиэохэн Янг. «Поскольку мы показываем стандартные блоки, которые составляют фотосинтез КУЛАКА, мы будем в состоянии биоинженеру метаболические процессы водно-тяжелых зерновых культур, такие как рис, пшеница, соя и тополь, чтобы ускорить их адаптацию к ограниченной водой окружающей среде».
Ученые изучают множество стойких к засухе заводов, чтобы открыть тайну фотосинтеза КУЛАКА. Для этой работы ORNL-возглавляемая команда упорядочила геном Kalanchoe fedtschenkoi, появляющейся модели для исследования геномики КУЛАКА из-за его относительно маленького генома и послушания к генетической модификации.Команда исследовала и сравнила геномы K. fedtschenkoi, Phalaenopsis equestris (орхидея) и Ананас comosus (ананас), используя суперкомпьютер Титана ORNL.«Общепризнано, что некоторые несвязанные заводы показывают подобные особенности под подобными условиями окружающей среды, процесс, известный как сходящаяся эволюция», сказал Янг.
Они определили 60 генов, которые показали сходящуюся эволюцию в разновидностях CAM, включая сходящиеся дневные и ночные изменения экспрессии гена в 54 генах, а также сходимость последовательности белка в шести генах. В частности, команда обнаружила новый вариант phosphoenolpyruvate carboxylase или PEPC. PEPC – важный фермент «рабочего», ответственный за ночную фиксацию углекислого газа в яблочную кислоту. Яблочная кислота тогда преобразована назад в углекислый газ для фотосинтеза в течение дня.
«Эти сходящиеся изменения в экспрессии гена и последовательностях белка могли быть введены в заводы, которые полагаются на традиционный фотосинтез, ускоряя их эволюцию, чтобы стать большим количеством эффективного водного использования», сказал Янг. Команда издала их результаты по своей природе Коммуникации.Умное водное использованиеПроизводство урожая – крупнейший потребитель в мире пресноводных.
Доступность ресурсов чистой воды сжимается из-за урбанизации, роста народонаселения и изменений в климате, который представляет собой проблему к оптимальной растущей окружающей среде.Чтобы обратиться к этому беспокойству, технический фотосинтез КУЛАКА в еду и энергетические зерновые культуры мог уменьшить сельскохозяйственное водное использование и повысить упругость зерновых культур, когда водоснабжение менее, чем желательно.«Изучение генома водно-эффективных заводов может также обеспечить понимание способности завода использовать немного солевую воду и поддержать рост под более высокой температурой и понизить доступность чистой воды», сказал Джерри Таскэн, соавтор и генеральный директор Центра Инноваций Биоэнергии во главе с ORNL. «Если мы можем определить механизмы для эффективности водного использования, мы могли бы переместить эту черту в агрономические заводы, поставлять непитьевую воду как ирригацию к тем заводам и спасти чистую воду для питья».Исследование назвало, «Геном Kalanchoe обеспечивает понимание сходящейся эволюции и стандартных блоков crassulacean кислотного метаболизма», были среди соавторов ORNL Ксиэохэн Янг, Рунбинь Ху, Хэнфу Инь, Дэгао Лю, Дебора Виилл, Роберт Мозли, Сара Джевди, Чжихао Чжан, Мэн Се, Пол Абрахам, Ritesh Mewalal, Кайтлин Палла, Энрике Честари Де Паоли, Энн Борлэнд, Чжин-Ги Чэнь, Веллингтон Muchero, Дэниел Джейкобсон, Тимоти Тшаплинский, Роберт Хеттич и Джерри Таскэн.
Исследование также включало сотрудников из Университета Теннесси, Института HudsonAlpha Биотехнологии, Института Генома Сустава САМКИ, Сельского хозяйства Фуцзяни и Университета Лесоводства, Университета Невады, Университета Джорджии, Университета Северного Иллинойса, Ливерпульского университета, Оксфордского университета, Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, Pacific Biosciences, Inc., Университета штата Мичиган, Ньюкаслского университета и Смитсоновского Тропического Научно-исследовательского института.Исследование финансировалось Офисом САМКИ Науки (Биологическое и Экологическое Исследование, Геномная Научная Программа) и Лабораторная программа Целенаправленного исследования и развития ORNL.
Работа также использовала ресурсы Окружающей среды Вычисления и Данных для Науки в ORNL, полностью интегрированная инфраструктура, предлагающая масштабируемое вычисление, поддержку программного обеспечения и высокоэффективные услуги по хранению облака и Средство для Вычисления Лидерства Ок-Риджа, которое является Офисом САМКИ Научного Пользовательского Средства.