Криогенная микроскопия раскрыла механизм защиты растений от засоления почвы
По данным ООН, засоление почвы затрагивает от 20% до 40% пахотных земель в мире, и этот процесс во многом обусловлен деятельностью человека и изменением климата, особенно повышением уровня моря.
Избыток соли вокруг корней растений постепенно блокирует их доступ к воде, замедляет рост, отравляет и ускоряет их гибель. Ежегодно 10 миллионов гектаров сельхозугодий уничтожаются засолением почвы, что создает угрозу глобальной продовольственной безопасности.
Ученые из EPFL, Университета Лозанны (UNIL) и их испанские партнеры с помощью криогенной микроскопии наблюдали, как ген "Salt Overly Sensitive 1" (SOS1), идентифицированный в 2000 году, защищает клетки растений от соли. Команда биологов и инженеров получила беспрецедентные изображения с помощью ионного микрозонда CryoNanoSIMS (Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry).
Этот криогенный микроскоп — единственный в своем роде в мире — позволил получить точные изображения местоположения, в котором конкретный питательный элемент хранится или используется в образце клетки или ткани.
Наблюдения показывают, что при высоком уровне солевого стресса ионный транспортер SOS1 больше не удаляет натрий, а помогает загружать его в структуры, называемые вакуолями, внутри клеток. По мнению ученых, лучшее понимание этого механизма и причин, по которым одни виды более устойчивы к натрию, чем другие, может позволить разработать новые стратегии для укрепления продовольственной безопасности.
Результаты опубликованы в Nature.
Первое визуальное доказательство
"Наше исследование впервые на клеточном уровне дает визуальное доказательство того, как растения защищаются от избытка натрия", — говорит Прия Рамакришна, постдок Лаборатории биологической геохимии (LGB) EPFL и ведущий автор статьи.
"Предыдущие гипотезы этого механизма основывались на косвенных доказательствах. Теперь мы можем видеть, куда транспортируется натрий при разных уровнях солевого стресса — чего мы раньше не могли делать с таким разрешением".
Совместная команда EPFL и UNIL провела наблюдения с беспрецедентной детализацией с помощью недавно разработанного прибора CryoNanoSIMS, который позволяет получать химические изображения биологической ткани с разрешением 100 нанометров. В данном случае исследовались образцы корней растений, мгновенно замороженные в ванне с жидким азотом и поддерживаемые при очень низких температурах в вакууме, чтобы сохранить все элементы в ткани на своих местах.
Этот подход позволил им картировать отдельные клетки растений и увидеть, где хранятся ключевые элементы, такие как калий, магний, кальций и натрий, в кончиках корней растений — части растения, известной как "апикальная меристема корня", которая содержит стволовые клетки, ответственные за развитие корневой системы. Визуализация CryoNanoSIMS показала состояние корня при двух разных условиях солевого стресса.
Смена стратегии
При слабом солевом стрессе клеткам удается не допускать проникновения натрия. Но команда наблюдала смену стратегии при высоком солевом стрессе: вместо того чтобы выводить натрий, как считалось ранее, транспортер SOS1 помогает секвестрировать его в вакуоли, которые служат для хранения нежелательных продуктов.
"Но этот защитный механизм энергозатратен, замедляет рост растения, подавляет его производительность и в конечном итоге приводит к его гибели, если солевой стресс сохраняется", — объясняет Рамакришна.
Исследователи подтвердили свои наблюдения, проведя те же эксперименты на мутантных образцах, лишенных гена транспортера SOS1, что выявило их неспособность транспортировать натрий в вакуоли, что объясняет их резко возросшую чувствительность к соли.
Они также провели тесты на образцах корней риса — самой распространенной сельскохозяйственной культуры в мире — и обнаружили, что в этом случае натрий также транспортировался в вакуоль при высоком солевом стрессе.
Соответствие локализации и функции
Для Рамакришны, биолога растений по образованию, химическая визуализация, ставшая возможной благодаря прибору CryoNanoSIMS, — это полная смена парадигмы. Этот инструмент также можно использовать для изучения того, как растения защищаются от других угроз, таких как загрязнение тяжелыми металлами и микробы.
"При таком по-настоящему междисциплинарном сотрудничестве, то есть смешении биологии и инженерии, мы можем сопоставить локализацию с функцией и понять механизмы и процессы, которые никогда раньше не наблюдались", — говорит автор-корреспондент Андерс Мейбом, профессор Школы архитектуры, гражданского и экологического строительства (ENAC) EPFL и факультета геонаук и окружающей среды UNIL, в лаборатории которого был разработан прибор CryoNanoSIMS.
Нико Гельднер, соавтор-корреспондент статьи, руководитель исследовательской группы на факультете биологии и медицины UNIL и лидер команды UNIL, также полон энтузиазма по поводу этого сотрудничества.
"Растения принципиально зависят от извлечения минеральных питательных веществ из почвы, но мы никогда не могли наблюдать их транспорт и накопление с достаточным разрешением. Технология CryoNanoSIMS наконец-то достигает этого и обещает изменить наше понимание питания растений, выходя за рамки проблемы соли", — сказал Гельднер.
Профессор Кристель Жену, соавтор статьи и директор Центра визуализации Дюбоше, добавляет: "Эта техника открывает совершенно новый горизонт в визуализации биологических тканей и ставит наши учреждения в лидеры на этой границе".