Растения становятся больше и "злее" после обрезки, выяснили учёные

Некоторые растения ведут себя подобно мифической Гидре: если срезать их верхушки, они отрастают снова, становясь больше и сильнее, чем прежде. Новое исследование показывает, что эти так называемые "сверхкомпенсаторы" также усиливают свою химическую защиту — своего рода "растительный яд" — после обрезки.

Обрезка удаляет основной стебель и имитирует то, что делают травоядные млекопитающие, поедая растения в дикой природе.

Исследование, опубликованное в журнале Ecology, впервые обнаружило эту связь и проследило её до трёх взаимосвязанных молекулярных путей. Это открытие может привести к разработке новых методов повышения урожайности растений и сокращения потребности в инсектицидах.

"Можно было бы подумать, что растение либо производит много защитных химических веществ, чтобы его не съели, либо направляет энергию на отрастание после повреждения — но не то и другое одновременно, учитывая ограниченные ресурсы энергии", — говорит аспирант Майлз Меса, руководивший исследованием вместе с профессором Кеном Пейджем. — "Но мы обнаружили, что растения, которые сверхкомпенсировали — демонстрируя более высокий репродуктивный успех после повреждения — также производили больше защитных химических веществ в своих тканях".

Около 90% травянистых цветковых растений используют процесс эндоредупликации — удвоения всего генетического материала в клетках без деления клеток. Этот процесс увеличивает размер клеток, позволяя растениям быстро восстанавливаться после повреждений.

Каждый цикл эндоредупликации удваивает продуктивность клетки. Удвоение количества активных генов означает, что клетка может производить больше белков, необходимых для выполнения клеточных задач.

Некоторые растения многократно умножают свои геномы в ответ на объедание. Один из примеров — алый гилия, красный цветок, растущий в западной части Северной Америки, которым питаются лоси и олени-мулы.

"Мы наблюдаем двух- и трёхкратное увеличение урожайности после срезки — в тот же сезон", — отмечает Пейдж.

Пейдж открыл феномен сверхкомпенсации и сообщил о нём в 1987 году, но почти никто из его коллег в области биологии растений ему не поверил. Идея о том, что объедание может повысить репродуктивный успех некоторых растений, противоречит интуиции. Потребовалось более десяти лет, чтобы научное сообщество приняло эти данные; даже сегодня почти никто в биологии растений не изучает молекулярную биологию сверхкомпенсации.

Новое исследование сосредоточено на Arabidopsis thaliana (резуховидке Таля), представителе семейства капустных, часто используемом в исследованиях. Учёные уже идентифицировали молекулярный путь, способствующий эндоредупликации у этого растения, а также важный регулятор этого пути — молекулу под названием ILP1.

Исследователи обнаружили, что, увеличивая экспрессию гена ILP1, они могут усилить эндоредупликацию у генетических разновидностей A. thaliana, которые обычно не сверхкомпенсируют. Это привело к увеличению производства семян у изменённых растений и повышению экспрессии защитных соединений в тканях растений.

Это возможно потому, что молекулярный путь, индуцирующий эндоредупликацию, также связан с двумя другими путями: окислительным пентозофосфатным путём (для первичного метаболизма) и шикиматным путём, который усиливает химическую защиту растений.

"Существует положительная обратная связь", — объясняет Пейдж. — "Когда вы увеличиваете количество хромосом посредством эндоредупликации, вы увеличиваете экспрессию генов, что повышает способность растения производить больше защитных соединений и нуклеотидов для производства ДНК, чтобы снова запустить эндоредупликацию".

Новые выводы могут привести к прогрессу в увеличении сельскохозяйственных урожаев и сокращении использования пестицидов.