Учёные используют метаболическую модель для изучения температурного стресса у кукурузы

Исследовательская группа под руководством учёных из Небраски создала крупнейшую в истории метаболическую модель кукурузы, чтобы изучить, как температурный стресс влияет на растение и как определённый грибок может помочь смягчить проблему.

Эта работа является развитием более ранних исследований с метаболической моделью корней кукурузы, которую та же команда использовала для изучения эффективности использования азота растением в условиях азотного стресса.

Модель расширена до целого растения, а не только корней, что позволяет углубиться в сложные метаболические взаимодействия, их молекулярные основы и различные стрессоры, влияющие на продуктивность. Результаты опубликованы в журнале iScience.

Модель создана для гибрида кукурузы B73, чей геном высоко ценится для создания гибридов, используемых в пищу, на корм и для различных промышленных целей. Эта линия и её потомки присутствуют в половине родительских форм почти всего гибридного зерна в мире.

Разработанная в Небраске многотканевая метаболическая модель — крупнейшая из созданных для кукурузы (или любого другого растения) — позволяет проводить исследования эффективнее и быстрее, чем полевые испытания на реальных растениях. Модель также может помочь полевым исследователям планировать эксперименты.

По оценкам, температурный стресс, вызванный изменением климата, может снизить продуктивность кукурузы на 7–18%. Существует насущная потребность в создании высокоурожайных генотипов кукурузы, способных выдерживать температурный стресс.

Учёные сосредоточились на том, как можно скорректировать метаболизм растений, чтобы противостоять этому стрессу. Исследование команды использует целостный, общерастительный подход, а не рассматривает только отдельные элементы.

Температурный стресс может, среди прочего:

• Снижать фотосинтез и синтез углеводов в листьях.
• Уменьшать синтез крахмала в зёрнах.
• Влиять на биосинтез аминокислот и лигнина в стеблях.
• Повреждать ферменты и ткани, нарушать цветение и вызывать окислительный стресс на репродуктивной стадии.

Команда загрузила данные об экстремальной жаре и холоде в свою модель. Оба фактора создавали так называемые «метаболические узкие места», замедляющие рост растения, но особенно проблематичным оказался перегрев. Ожидается, что чрезмерная жара будет и дальше препятствовать росту сельскохозяйственных культур.

Один из подходов для смягчения температурного стресса — перепроектирование растения, создание новых, менее восприимчивых гибридов. Хотя это может быть успешным, процесс очень длительный.

В другом подходе исследователи инокулировали корни кукурузы полезным грибком Rhizophagus irregularis, обычно используемым в качестве почвенного инокулянта. Исследование показало, что R. irregularis также успешно уменьшал метаболические узкие места, замедляющие рост растения в условиях теплового и холодового стресса. Скорость роста биомассы всего растения и отдельных органов увеличивалась при грибковой обработке.

Будущие исследования с использованием той же метаболической модели будут сосредоточены на том, как R. irregularis влияет на метаболизм растений в условиях высокого и низкого содержания азота.

Созданная модель будет доступна исследователям, желающим изучать другие виды стресса у кукурузы.