Ген «термостата» воды поможет создать засухоустойчивые культуры

Исследователи из Университета Дьюка идентифицировали ген, который может помочь в создании засухоустойчивых сельскохозяйственных культур. Ген OSCA1 кодирует белок в клеточной мембране растений, который чувствует изменения в доступности воды и соответствующим образом регулирует механизмы её сохранения.

«Это похоже на термостат», — пояснил Чжэнь-Мин Пэй, доцент биологии в Duke.

Результаты, опубликованные 28 августа в журнале Nature, могут помочь прокормить растущее население мира в условиях изменения климата.

Засуха — основная причина потери урожая во всём мире. Засушливый период на критической стадии вегетации может сократить урожайность некоторых культур вдвое.

Нехватка воды, как ожидается, станет более частой и серьёзной из-за изменения климата, делающего режим осадков всё более непредсказуемым, и продолжающегося высыхания сельхозугодий в некоторых регионах. В сочетании с ростом мирового населения на 2–3 миллиарда к 2050 году это заставляет учёных искать способы производить больше пищи с меньшим количеством воды.

Одна из стратегий — генная инженерия, наряду с улучшением методов земледелия и традиционной селекцией. Однако создание засухоустойчивых растений оказалось сложной задачей, поскольку растения используют множество стратегий для борьбы с обезвоживанием, и в этом задействованы сотни генов.

Проблема усугубляется тем, что засуха часто сопровождается волнами жары и другими стрессами, требующими от растения разных стратегий выживания.

Один из способов реакции растения на потерю воды — повышение уровня кальция внутри клеток. Этот всплеск кальция действует как сигнал тревоги, запускающий защитные механизмы для восстановления водного баланса. Однако молекулярный механизм, с помощью которого растения посылают этот сигнал и вообще отслеживают доступность воды, оставался неизвестным.

Пэй и его коллеги из Duke (Фан Юань, Джеймс Сидоу и другие) идентифицировали ген OSCA1, кодирующий белок в клеточных мембранах листьев и корней растений. Этот белок действует как канал, позволяющий кальцию поступать в клетку в условиях засухи.

Ген был идентифицирован в модельном растении Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), родственнике капусты и рапса.

Растения с дефектными версиями этого кальциевого канала не посылают сигнал тревоги при водном стрессе, в отличие от нормальных растений.

Когда исследователи выращивали нормальные и мутантные растения в одном горшке и подвергали их засухе, мутантные растения сильнее увядали.

Это открытие может привести к новым способам помочь растениям выживать при нехватке воды.

Следующий шаг команды — манипулировать активностью гена OSCA1 и родственных ему генов и посмотреть, как такие растения реагируют на засуху. Эта информация может привести к созданию культур, которые быстрее и эффективнее реагируют на обезвоживание.

«Растения, которые быстро включают режим борьбы с засухой и так же быстро возвращаются к нормальному росту, когда стресс проходит, смогут более эффективно направлять энергию на рост», — сказал Пэй.