Studiuesit e udhëhequr nga Wolfram Weckwerth në Universitetin e Vjenës kanë zbuluar tani se si një formë veçanërisht efikase e fotosintezës për sa i përket përdorimit të ujit (CAM) ka evoluar në mënyra të ndryshme brenda një gjinie të vetme pemësh tropikale. Duke krahasuar gjenomet e tri specieve të Clusia, ekipi gjurmoi se si dyfishimi i lashtë i gjenomit, i ndjekur nga një riorganizim i gjerë gjenetik, ndihmoi në krijimin e formave të ndryshme të CAM-it. Gjetjet u publikuan së fundmi në Nature Communications.
Një mister i fotosintezës që daton prej 200 vitesh
Rreth vitit 1800, Alexander von Humboldt vuri re diçka të pazakontë gjatë studimit të një peme tropikale. Ai vendosi një nga gjethet e saj në ujë dhe zbuloi se, edhe nën dritën e diellit, ajo nuk prodhonte flluskat e oksigjenit që kishte vërejtur më parë.
Shpjegimi qëndron te cikli i pazakontë ditor i bimës. Stomatet e saj, poret e vogla që normalisht marrin CO2 dhe çlirojnë oksigjen gjatë ditës, qëndrojnë të mbyllura kur dielli është lart, duke reduktuar humbjen e ujit përmes avullimit. Në vend të kësaj, bima thith CO2 gjatë natës, e lidh atë kimikisht dhe e ruan në formën e acidit malik.
Kjo strategji njihet si “fotosinteza CAM” (metabolizmi acid i krasulaceve). Megjithëse shkencëtarët e kanë ditur prej kohësh se si funksionon CAM-i, mënyra e saktë se si ai evoluoi brenda gjinisë Clusia dhe pse speciet e ndryshme e përdorin atë në mënyra të ndryshme ka mbetur e paqartë.
Krahasimi i gjenomeve të tri pemëve tropikale
Për ta hetuar këtë, studiuesit analizuan gjenomet e tri specieve të Clusia me fenotipe të ndryshme të CAM-it: Clusia rosea, Clusia minor dhe Clusia major. Ata kombinuan të dhënat molekulare me matjet e mënyrës se si funksiononin bimët në kushte mjedisore realiste.
Gjinia Clusia është veçanërisht e vlefshme për studimin e evolucionit të fotosintezës, sepse përmban të vetmet pemë të njohura që përdorin CAM. Speciet e saj shfaqin gjithashtu një gamë jashtëzakonisht të gjerë strategjish fotosintetike, nga fotosinteza konvencionale C3, në të cilën dioksidi i karbonit thithet gjatë ditës, deri te CAM-i shumë i fuqishëm.
Ky diversitet u jep shkencëtarëve një mundësi të rrallë për të shqyrtuar se si bimët mund të kalojnë nga një formë e fotosintezës në një tjetër.
Dyfishimi i lashtë i gjenomit riorganizoi fotosintezën
Analiza gjenomike zbuloi se të tria speciet e Clusia janë poliploide të lashta. Në një moment gjatë historisë së tyre evolucionare, gjenomet e tyre u shumëfishuan (poliploidizim). Gjatë periudhave të gjata, këto gjenome të zgjeruara u riorganizuan dhe u riformësuan më pas (diploidizim).
“Gjatë këtij procesi, kopjet e gjeneve humbasin, çaktivizohen ose marrin funksione të reja”, shpjegon autori kryesor Hannes Kramml nga Divizioni i Biologjisë së Sistemeve Molekulare, Departamenti i Ekologjisë Funksionale dhe Evolucionare, në Universitetin e Vjenës.
Autori i dytë kryesor, Johannes Herpell, shton: “Gjenet thelbësore për ruajtjen e CO2 gjatë natës në metabolizmin CAM preken veçanërisht.”
Në vend që thjesht të mbartnin kopje shtesë të të njëjtave gjene, bimët gradualisht i transformuan këto gjenome të dyfishuara në diçka të ndryshme.
“Gjenomet nuk janë thjesht shumëfishuar; gjatë miliona viteve, ato janë riorganizuar, reduktuar dhe riorganizuar funksionalisht. Ky fleksibilitet i jashtëzakonshëm shpjegon diversitetin fiziologjik të CAM-it në gjininë Clusia”, shpjegon udhëheqësi i studimit, Wolfram Weckwerth.
Pemë të ndryshme e përdorin CAM-in në mënyra të ndryshme
Studiuesit shqyrtuan më pas se si këto ndryshime gjenetike ndikonin te vetë bimët. Ata monitoruan pemët gjatë gjithë ditës në kushte serre sa më pranë atyre natyrore, duke ndryshuar sasinë e ujit në dispozicion.
Ekipi kombinoi matjet e fiziologjisë së bimëve me analizat e aktivitetit të gjeneve, proteinave dhe produkteve metabolike.
Të tria speciet shfaqën mënyra jashtëzakonisht të ndryshme. Clusia rosea përdor CAM të fuqishëm dhe ruan sasi të konsiderueshme të dioksidit të karbonit në formën e acidit malik gjatë natës. Clusia minor kryesisht aktivizon CAM-in kur përjeton kushte stresuese. Ndërkohë, Clusia major përdor një strategji hibride që kombinon fotosintezën C3 dhe CAM-in.
Këto dallime fiziologjike ishin gjithashtu të dukshme në modelet e aktivitetit të gjeneve dhe metabolizmit, duke u mundësuar studiuesve të lidhnin sjelljen e bimëve me ndryshimet gjenomike që kishin identifikuar.
Gjetjet sugjerojnë se CAM-i brenda gjinisë Clusia nuk u krijua nga një ngjarje e vetme evolucionare. Përkundrazi, raunde të përsëritura të riorganizimit gjenomik duket se kanë gjeneruar versione të ndryshme të kësaj strategjie për kursimin e ujit, duke ndihmuar speciet individuale të përshtaten me zona ekologjike shumë të ndryshme.
Të dhëna për kultura bujqësore më rezistente ndaj thatësirës
Rezultatet mund të kenë përfundimisht rëndësi edhe përtej pemëve tropikale.
Bimët CAM kanë nevojë për dukshëm më pak ujë sesa bimët që mbështeten tërësisht në forma më konvencionale të fotosintezës, duke i bërë ato modele potencialisht të dobishme për zhvillimin e kulturave bujqësore të përshtatura ndaj klimës.
Informacioni i ri gjenomik mund t’i ndihmojë studiuesit të identifikojnë proceset metabolike të përfshira në fiksimin efikas të CO2 dhe në efikasitetin e lartë të përdorimit të ujit. Në një perspektivë më afatgjatë, kjo njohuri mund t’i ndihmojë shkencëtarët të zhvillojnë kultura bujqësore që përshtaten më mirë me kushtet e thata mjedisore
