Биоэнергетическая трава выдерживает заморозки
В марте 2012 года стояла необычно теплая погода. Биоэнергетические культуры на Среднем Западе США хорошо укоренились и процветали. Но когда в середине апреля ударили поздние заморозки, всё изменилось.
«Когда я вышел утром, я был просто шокирован, — говорит агроном из Университета Иллинойса Д.К. Ли. — Вся трава была покрыта инеем. К полудню мискантус и просо прутьевидное почернели. Единственным растением, которое осталось нетронутым, был спартина гребенчатая (Spartina pectinata, прерийная кордграсс)».
Ли уже знал, что спартина особенно устойчива к затоплению и засолению, но это наблюдение подтвердило его подозрение, что она также устойчива к заморозкам. Устойчивость к факторам стресса важна для биоэнергетических культур, так как их часто выращивают на так называемых маргинальных землях, где условия далеки от идеальных. Благодаря устойчивости к нескольким основным стрессовым факторам, спартина потенциально может выращиваться в большем количестве регионов, чем другие многолетние энергетические культуры.
Следующим шагом для Ли и его исследовательской группы было выявить молекулярные изменения, которые позволяют спартине оставаться невредимой в холодную погоду.
«В отличие от стресса от засоления и затопления, заморозки обычно наступают внезапно. Растение должно реагировать быстро. Чтобы понять, что происходит на молекулярном уровне, мы выращивали спартину в климатической камере при 25 градусах Цельсия, а затем резко перемещали её в другую камеру, установленную на -5 °C.
Мы изучали экспрессию генов в течение пяти минут после воздействия отрицательных температур. Мы обнаружили, что некоторые уникальные гены активируются сразу, а затем, через 30 минут, включаются другие», — говорит Ли.
Команда предполагает, что первоначальная генетическая реакция защищает клетки от замерзания. Обычно при воздействии отрицательных температур кристаллы льда образуются в межклеточных пространствах. Как только эти «зародышевые кристаллы» формируются, они быстро растут и разрывают живые клетки. Чтобы избежать этого, спартина может быстро перекачивать ионы за пределы клетки, предотвращая образование или рост кристаллов льда. Вторичные реакции, происходящие через 30 минут, могут быть связаны с восстановлением поврежденных клеток, позволяя растению быстрее оправиться от стресса.
Ли отмечает, что эти находки лишь поверхностны; необходимо гораздо больше работы, чтобы полностью понять генетические механизмы, позволяющие спартине избегать повреждения тканей при заморозках. Как только система будет полностью изучена на примере спартины, есть надежда применить эти знания к другим культурам.
«Фермеры, выращивающие кукурузу, всегда стремятся посеять её как можно раньше весной, — говорит Ли. — Они считают, что ранний посев может повысить урожайность. В настоящее время страховка не покрывает кукурузу, если её посеяли до определенной даты, из-за высокого риска заморозков. Если мы лучше поймем механизмы устойчивости к заморозкам, мы в конечном итоге сможем применить их к однолетним культурам и потенциально расширить зоны производства таких культур, как кукуруза».