Единый ген повышает устойчивость к климату, урожайность и захват углерода у сельхозкультур
Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж обнаружили единый ген, который одновременно стимулирует рост растений и повышает их устойчивость к таким стрессам, как засуха и засоление. При этом он борется с причиной изменения климата, позволяя растениям поглощать больше углекислого газа из атмосферы.
Сельское хозяйство — крупнейший потребитель пресной воды в мире, что подчеркивает необходимость в более выносливых растениях, способных переносить засушливые условия. Ученые из Центра инноваций в биоэнергетике (CBI) изучали механизмы, позволяющие пустынным растениям, таким как агава и каланхоэ, процветать в сухих условиях.
Эти растения используют особую форму фотосинтеза — кислотный метаболизм толстянковых (CAM). Он позволяет удерживать углекислый газ в клетках ночью для преобразования в сахара днем. Чтобы выжить, CAM-растения открывают устьица для захвата CO2 только ночью, избегая потери воды днем.
Команда ORNL определила ключевые гены для CAM-фотосинтеза в 2017 году. В новом исследовании ученые сосредоточились на новой варианте важного фермента и обнаружили, что он запускает два пути одновременно:
- Путь фиксации углерода для роста растений.
- Путь производства пролина — ключевой аминокислоты, повышающей устойчивость к стрессу.
Результаты опубликованы в журнале Cells.
«Необычно обнаружить, что одна генетическая модификация может иметь несколько преимуществ», — сказал ведущий автор исследования Сяохань Ян. — «Это отличается от классической модели "один ген — один белок — один признак"».
«Все, что мы можем сделать для повышения засухоустойчивости и скорости роста биоэнергетических культур, имеет положительную экономическую ценность», — отметил директор CBI Джерри Таскан. — «Мы рассматриваем культуры, не конкурирующие с производством продуктов питания. Для этого нам нужно выращивать их на маргинальных землях, подверженных засухе».
Один ген, множество преимуществ
Исследователи взяли вариант гена AaPEPC1 из агавы, который экспрессирует важный фермент в CAM-фотосинтезе (фосфоенолпируваткарбоксилазу), и встроили его в табак, использующий не-CAM путь фотосинтеза.
Как и ожидалось, ген обеспечил большее поглощение углекислого газа, что стимулировало рост и биомассу табака. Неожиданностью стало то, что повышенная урожайность биомассы сохранялась даже в стрессовых условиях.
Результаты показали:
- Сухая масса генетически модифицированного табака увеличилась примерно на 82% в условиях засоления.
- При засухе прирост составил 37% по сравнению с обычным табаком.
«Обычно можно повысить либо урожайность биомассы, либо устойчивость к стрессу, но не то и другое одновременно», — пояснил Ян. — «Компромисс между ними был большой научной проблемой».
Дальнейшее изучение показало, что экспрессия гена AaPEPC1:
- Активировала гены CAM-пути для производства малата, критически важного для удержания CO2 в цитоплазме.
- Активировала другой набор генов, производящих пролин, что повысило стрессоустойчивость.
«Эти эффекты, скорее всего, не специфичны для табака, поэтому нам нужно провести дополнительные испытания на других видах», — сказал Ян. — «Наши результаты могут заложить основу для будущих исследований, направленных на увеличение устойчивого производства биомассы на маргинальных землях».
«Мы не тестировали ген в кукурузе или сое», — добавил Таскан. — «Хотя они выращиваются на землях высокого качества, это открытие может найти применение для расширения их производства в более засушливых частях мира».