Как кремний укрепляет устойчивость растений: от корней к побегам

Кремний (Si) — один из самых распространённых элементов в почве. Хотя он не считается необходимым для наземных растений, многие культуры, такие как рис и злаки, используют Si для защиты от различных стрессов.

Si накапливается в листьях и надземных органах в виде аморфного диоксида кремния (SiO₂), что обеспечивает защиту от патогенов, вредителей и засухи. Понимание механизмов управления этим элементом может повысить устойчивость и продуктивность сельскохозяйственных культур.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications 27 декабря 2024 года, группа учёных под руководством доктора Наоки Ямадзи из Института наук о растениях и ресурсов Университета Окаямы (Япония) обнаружила ключевой сигнальный белок Shoot-Silicon-Signal (SSS), который регулирует поглощение, распределение и накопление кремния в рисе и других злаках.

Роль белка SSS

• SSS является гомологом флоригена — гормона, регулирующего цветение растений.
• Исследователи выяснили, что при доступности Si уровень белка SSS в растении снижается, что служит сигналом для корректировки поглощения элемента.
• В эксперименте использовали дикий сорт риса (Oryza sativa), модифицированные (мутантные) линии клеток с изменённым геном SSS и трансгенные линии, содержащие гены SSS и зелёного флуоресцентного белка.

Ключевые результаты

• У риса с мутантным геном SSS поглощение Si корнями было значительно снижено, что привело к падению урожайности зерна.
• В листьях ген SSS экспрессируется во флоэме — ткани, отвечающей за транспорт питательных веществ.
• Белок SSS играет решающую роль в регуляции поглощения и накопления кремния.

Практическое значение

• Белок SSS можно использовать как маркер для оценки потребности растений в кремнии и оптимизации кремниевых удобрений.
• Это может привести к созданию более устойчивых культур, способных лучше противостоять стрессам, и повысить продуктивность и устойчивость сельского хозяйства.

«Накопление Si в растениях смягчает различные биотические и абиотические стрессы. Поэтому оптимизация использования Si создаёт более стрессоустойчивые культуры», — подчёркивает доктор Ямадзи.

Хотя кремний не считается необходимым элементом для роста растений, исследование доказывает его незаменимую роль как адаптивного элемента. Улучшение управления кремнием может стать ключевой стратегией для обеспечения устойчивости продовольственных систем в условиях изменения климата.