抗旱植物基因可以加速用水有效作物的进化

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，这可能在生物工程和创造耐水缺乏的能源作物中发挥重要作用。

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大米，小麦，大豆和杨树等水分作物的代谢过程，以加速其适应水资源有限的环境。”

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，因为它具有相对较小的基因组和对遗传修饰的适应性。

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的新变种。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回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被引入依赖于传统光合作用的植物中，加速它们的进化，从而变得更有效地利用水，”杨说。该团队在Nature Communications上发表了他们的研究结果。

智能用水

作物生产是世界上最大的淡水消费国。由于城市化，人口增长和气候变化，清洁水资源的可用性正在缩小，这对最佳生长环境构成了挑战。

为了解决这一问题，将水合作用设计用于食品和能源作物可以减少农业用水量，并在供水不理想时提高作物的恢复能力。

“研究节水型植物的基因组也可以提供对植物使用微咸水并在较高温度下保持生长和降低清洁水供应的能力的见解，”生物能源创新中心的合着者兼首席执行官杰里·图斯坎说。由ORNL领导。“如果我们能找出水分利用效率的机制，我们可以这一特点进入农艺植物，提供非饮用水水灌溉这些植物并保存干净的水饮用。”

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