Перепроектирование корней для выживания сельскохозяйственных культур в сложных условиях
Засуха — одно из наиболее разрушительных последствий изменения климата. Она уже ощущается в Европе, Австралии и США, но сильнее всего страдают развивающиеся страны, где засуха приводит к нехватке продовольствия, социальным потрясениям и миграции миллионов людей.
Ученый-растениевод из Penn State Джонатан Линч посвятил карьеру поиску способов повысить устойчивость сельскохозяйственных растений к засухе и бедным почвам для борьбы с хроническим голодом, от которого страдают около 850 миллионов человек.
Где находятся ресурсы
В отличие от селекционеров, улучшающих фотосинтез, команда лаборатории Roots Lab во главе с Линчем и биологом растений Кэтлин Браун изучает, как архитектура корневой системы может повысить урожайность кукурузы (Zea mays) и фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris) в стрессовых условиях.
Основная сложность в том, что необходимые признаки корней обычно контролируются не одним геном. Кроме того, существует компромисс в архитектуре:
- Фосфор закрепляется в верхних слоях почвы, и для его поглощения нужны разветвленные поверхностные корни.
- Вода и азот уходят вглубь, что требует роста длинных стержневых корней.
Растение, как правило, развивает одну из этих стратегий, но не обе одновременно.
Дешевые и эффективные корни
Рост корней имеет "стоимость" для растения, так как каждая клетка требует воды и питательных веществ. Поглощение происходит в основном на растущем кончике корня и в зоне корневых волосков, в то время как остальная часть корня лишь потребляет ресурсы.
Ключевым открытием стало значение аэренхимы — ткани с воздушными полостями. Изначально известная у водных растений, аэренхима также характерна для растений, адаптированных к жаре или нехватке питательных веществ. Она делает корни "дешевле" в метаболическом смысле, позволяя растению наращивать больше корневой массы для поиска недостающих ресурсов.
Компьютерное моделирование и полевые испытания подтвердили: у кукурузы, выращенной в условиях засухи, естественная вариация количества аэренхимы в корнях приводила к восьмикратной разнице в урожайности.
Низкие и высокие технологии
Для изучения корней лаборатория использует:
- "Шовеломику" (shovelomics) — низкотехнологичный метод: выкапывание, очистка и оценка всей корневой системы.
- Компьютерные модели (SimRoot, RootSlice) для симуляции архитектуры корней и расчета поглощения питательных веществ.
- Лазерную абляционную томографию (LAT) — высокотехнологичный метод, запатентованный командой. Лазер послойно испаряет тонкие срезы корня, а камера фиксирует изображения, позволяя создать 3D-модель и измерить объем аэренхимы, количество клеток и другие признаки.
Глобальное применение
За последние годы команда определила генетическую основу аэренхимы у кукурузы и поверхностной архитектуры корней у фасоли. Они помогают селекционерам создавать сорта, сочетающие нужную архитектуру корней со способностью образовывать аэренхиму, и тестируют их на фермах в Африке, Азии, Латинской Америке, Аризоне и Пенсильвании.
"Мы можем решить эту проблему, — говорит Линч. — Мы можем создать растения, которым нужно меньше воды и питательных веществ и которые лучше растут в стрессовых условиях... Не стоит чувствовать себя беспомощными. Это задача, с которой мы можем справиться".