抗旱植物基因可以加速用水有效作物的进化

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家已经确定了一组共同​​的基因，这些基因使不同的抗旱植物能够在半干旱条件下生存，这些基因可以在生物工程中发挥重要作用，并创造出能够耐受缺水的能源作物。 植物在干旱地区茁壮成长，通过保持其气孔或毛孔在白天关闭以节约用水并在夜间开放以收集二氧化碳。这种形式的光合作用被称为景天酸代谢或CAM，已经发展了数百万年，在诸如Kalanchoë，兰花和菠萝等植物中建立了节水特性。“CAM是一种提高植物水分利用效率的成熟机制，”ORNL的合着者Xiaohan Yang说。“当我们揭示构成CAM光合作用的构建模块时，我们将能够生物工程化水稻，小麦，大豆和杨树等水分作物的代谢过程，以加速其对水资源有限环境的适应。”

科学家正在研究各种抗旱植物，以揭开CAM光合作用的神秘面纱。对于这项工作，ORNL领导的团队对Kalanchoëfenttschenkoi的基因组进行了测序，这是一种新兴的CAM基因组学研究模型，因为它的基因组相对较小，并且对基因修饰具有适应性。

调查队调查和比较的基因组K. fedtschenkoi，桃红蝴蝶兰(兰花)和菠萝(菠萝)，使用橡树岭国家实验室的超级计算机泰坦。“人们普遍认为，一些不相关的植物在相似的环境条件下表现出相似的特征，这一过程被称为趋同进化，”杨说。

他们确定了60种在CAM物种中表现出趋同进化的基因，包括54种基因的会聚白天和夜间基因表达变化，以及6种基因的蛋白质序列收敛。特别是，该团队发现了磷酸烯醇丙酮酸羧化酶或PEPC的新变体。PEPC是一种重要的“工人”酶，负责将二氧化碳夜间固定在苹果酸中。然后在白天将苹果酸转化为二氧化碳用于光合作用。“基因表达和蛋白质序列的这些趋同变化可以引入依赖传统光合作用的植物中，加速它们的进化，从而提高水的利用效率，”杨说。该团队在Nature Communications上发表了他们的研究结果。