Учёные обнаружили биологическую цепь, открывающую новый путь к созданию засухоустойчивых культур
Изменение климата уже вредит урожайности и может стать серьёзной угрозой для мировых запасов продовольствия. Создание более устойчивых культур, способных процветать в условиях засухи или высокой засолённости почвы, — всё более насущная задача.
Новое исследование из Медицинской школы Кека Университета Южной Калифорнии раскрывает детали того, как растения регулируют свои реакции на стресс, что может оказаться решающим для этих усилий.
Исследователи обнаружили, что растения используют свои циркадные часы для реагирования на изменения уровня воды и соли во внешней среде в течение дня. Эта же цепь — элегантная петля обратной связи, контролируемая белком ABF3, — также помогает растениям адаптироваться к экстремальным условиям, таким как засуха. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Суть в том, что растения закреплены на месте. Они не могут побежать и сделать глоток воды. Они не могут перебраться в тень, когда захотят, или уйти от почвы с избытком соли. Из-за этого они эволюционировали, чтобы использовать свои циркадные часы для точного измерения и адаптации к окружающей среде», — говорит старший автор исследования Стив А. Кей.
Результаты основываются на длинной линии исследований лаборатории Кея о роли белков циркадных часов у растений и животных. Белки часов, регулирующие биологические изменения в течение дня, могут предложить разумное решение постоянной проблеме в инженерии сельскохозяйственных культур.
Обнаружение петли обратной связи
Предыдущие исследования показали, что белки часов регулируют около 90% генов у растений и играют центральную роль в их реакции на температуру, интенсивность света и продолжительность дня. Но оставался открытым вопрос, контролируют ли и как белки часов реакцию растений на изменение уровня воды и засолённости почвы.
Чтобы изучить эту связь, команда исследовала Arabidopsis — модельное растение с простым геномом, имеющее общие черты со многими сельскохозяйственными культурами.
Они создали библиотеку всех более чем 2000 транскрипционных факторов Arabidopsis — белков, контролирующих экспрессию генов в разных обстоятельствах. Затем был построен конвейер анализа данных для поиска ассоциаций.
«Мы получили большой сюрприз: многие гены, которые регулировали часы, были связаны с реакцией на засуху», — сказал Кей, особенно те, что контролируют гормон абсцизовую кислоту — гормон стресса, который растения производят при очень высоком или очень низком уровне воды.
Анализ показал, что уровень абсцизовой кислоты контролируется как белками часов, так и транскрипционным фактором ABF3 в так называемой «гомеостатической петле обратной связи». В течение дня белки часов регулируют ABF3, чтобы помочь растениям реагировать на изменение уровня воды, затем ABF3 передаёт информацию обратно белкам часов, чтобы сдерживать стрессовый ответ. Эта же петля помогает растениям адаптироваться к экстремальным условиям, например, во время засухи. Генетические данные также выявили аналогичный процесс для обработки изменений уровня засолённости почвы.
«Что действительно особенного в этой цепи, так это то, что она позволяет растению реагировать на внешний стресс, сохраняя при этом свою стрессовую реакцию под контролем, чтобы оно могло продолжать расти и развиваться», — пояснил Кей.
Создание лучших культур
Результаты указывают на два новых подхода, которые могут помочь повысить устойчивость культур.
- Селекционеры могут искать и отбирать естественное генетическое разнообразие в циркадной цепи ABF3, которое даёт растениям небольшое преимущество в реакции на водный и солевой стресс. Даже небольшое увеличение устойчивости может существенно улучшить урожайность в крупном масштабе.
- Кей и его коллеги также планируют изучить подход генетической модификации, используя CRISPR для редактирования генов, способствующих экспрессии ABF3, с целью создания высокоустойчивых к засухе растений.
«Это может стать значительным прорывом в понимании того, как модулировать сельскохозяйственные культуры для повышения их засухоустойчивости», — заключил Кей.