Перерасход на оборонный арсенал банкротит экономику растения
Могут ли растения одновременно защищаться и расти? Ученые из Университета штата Мичиган, возможно, приблизились к ответу на этот вопрос. Ответы важны: они могут помочь понять природные экосистемы или увеличить урожайность без усиления зависимости от химикатов для борьбы с вредителями.
Лаборатория Грегга Хау в Исследовательской лаборатории растений MSU-DOE создала генетически модифицированное растение с высокой устойчивостью к насекомым. Однако превращение в такую крепость компрометирует его рост и репродуктивные способности. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Результаты, кажется, подтверждают давнюю парадигму, называемую компромиссом «рост-защита». Её суть: растения работают с фиксированным энергетическим бюджетом и расставляют приоритеты в использовании ресурсов. Если они тратят больше энергии на рост, их защита ослабевает, и наоборот.
В природе растения, как правило, следуют этому правилу. При стрессе от засухи, болезней или вредителей они запускают защитные реакции, что обычно резко замедляет рост. Но если растениям нужно быстро расти (например, конкурируя с соседями за свет), их защита ослабевает.
«Наше исследование доказывает, что большие вложения в защиту неизбежно сокращают количество ресурсов, которые в противном случае были бы доступны для роста и репродуктивной приспособленности», — говорит аспирант лаборатории Хау Цян Го.
Исследование сосредоточено на системе защиты от травоядных. Если гусеница начинает есть лист, система производит токсины для её отпугивания. Но в отсутствие угрозы растение отключает свою защитную систему с помощью набора из 13 репрессорных белков, называемых JAZ, которые «ставят защиту на тормоз», чтобы экономить энергию.
Бывший постдок лаборатории Хау, Юки Йошида, вывел растение, лишенное 10 из этих 13 репрессорных белков. Результатом стало растение в режиме постоянной, чрезмерной защиты.
«Оно продолжало производить защитные соединения даже в отсутствие угроз. Как и ожидалось, оно показало высокую устойчивость к насекомым», — говорит Го. — «Запуск этого оборонного арсенала также обеспечил защиту от грибков, поражающих растительные ткани».
Растения тоже должны балансировать бюджет
Увы, у сильного растения без... «всех этих JAZ» — серьезные последствия.
«У них гораздо более медленные темпы роста по сравнению с их природными аналогами (диким типом). Мы буквально можем видеть и измерять дефицит скорости роста в день».
У растений также сильно нарушена репродуктивная успешность. Они производят на треть меньше семян, и те прорастают позже обычного. Семена, как правило, мельче и низкого качества, содержат меньше питательных жиров и имеют другой липидный состав.
Команда исключила, что был нарушен фотосинтез — процесс, с помощью которого растения получают энергетические ресурсы. Здесь вступает постдок лаборатории Хау Иэн Мейджор.
«Мутировавшее растение получает такое же количество энергетических соединений от фотосинтеза, как и его природный аналог, — говорит Мейджор. — Однако оно потребляет больше энергии, чем обычно. Мы считаем, что растение питает массивное и постоянное производство защитных соединений, что отвлекает ресурсы от роста».
Го добавляет, что высокое энергопотребление лишает растения питательных веществ. «У него недостаточно энергии для оптимального выполнения других функций, таких как рост, — говорит он. — Чтобы проиллюстрировать это, мы подкормили растение сахаром, источником топлива, и его рост частично восстановился».
«Наш вывод: белки JAZ помогают растениям расти и размножаться, обуздывая их защиту, когда угроза нападения низка, что сохраняет энергию. В зависимости от серьезности угрозы белки JAZ будут усиливать защиту по мере необходимости, возможно, как регулируемый выключатель света», — говорит Мейджор.
Исследовательская группа подчеркивает важность десятилетних усилий доктора Йошиды по «нокауту» белков JAZ один за другим. «Он игнорировал многих из нас, когда мы говорили ему, что это высокорисковый и сложный проект. Но теперь у нас есть новые способы думать о растениях и о том, как мы можем сочетать их признаки новыми и полезными способами», — говорит Мейджор.