Международная группа ученых выяснила, что предки пшеницы, риса и кукурузы получили решающее эволюционное преимущество, выработав «обходной» метаболический путь для синтеза крахмала. Это позволило им эффективнее накапливать энергию и быстрее расти, что в итоге сделало злаки основой мирового сельского хозяйства. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Злаки, которые обеспечивают значительную часть калорий в рационе человечества, способны быстро расти, производя при этом много лигнина – сложного полимера, который укрепляет ткани растений. Обычно высокое содержание лигнина характерно для медленнорастущих видов, например деревьев. Исследователи предположили, что секрет эффективности злаков кроется в дублировании биохимических процессов.
Чтобы проверить гипотезу, они сравнили геномы злаков с геномом их ближайшего родственника – растения Joinvillea ascendens с островов Тихого океана. Вырастить его в лаборатории оказалось непросто: из более чем ста семян проросли только два, а анализ удалось провести лишь через два года, когда растения достаточно выросли.
Сравнение геномов показало, что Joinvillea синтезирует крахмал одним способом, а все изученные злаки – двумя. Дополнительный путь, возникший у общего предка злаков, позволил им более эффективно направлять углерод в запасы энергии в семенах. Это давало всходам преимущество в конкурентной борьбе за свет и ресурсы на открытых пространствах. В сельском хозяйстве человек, не зная о механизме, отбирал растения именно с этой особенностью, что привело к появлению высокоурожайных сортов.
Синтез лигнина устроен иначе. Ученые обнаружили, что и злаки, и Joinvillea производят его двумя способами. Это означает, что данная черта появилась еще до того, как злаки выделились в отдельное семейство. Она возникла благодаря двум мутациям в ДНК, которые изменили работу ферментов. Такая гибкость метаболизма позволила растениям быстро строить прочные стебли, не жертвуя скоростью роста.
Понимание этих молекулярных механизмов открывает новые возможности для генной инженерии. Исследователи считают, что эти данные помогут создать более урожайные и устойчивые сорта сельскохозяйственных культур. В частности, можно будет изменять состав лигнина, чтобы упростить переработку растений в биотопливо, или повышать питательную ценность зерна.