Перепрограммирование "ртов" растений для решения продовольственных проблем
Растения имеют на листьях микроскопические поры — устьица (от греческого "рот"), через которые они поглощают углекислый газ из воздуха и испаряют воду. Исследование лаборатории Доминик Бергманн (Карнеги, Стэнфорд) показывает, как можно использовать системы, регулирующие развитие устьиц у злаков, для повышения эффективности растений и урожайности.
Ежегодно через устьица проходит более 30% всего углекислого газа в атмосфере. В обмен растения выделяют через них водяной пар, эквивалентный удвоенному количеству воды во всей атмосфере. Таким образом, растения оказывают огромное влияние на глобальный климат.
Устьица найдены в окаменелостях возрастом 400 миллионов лет и присутствуют почти у всех современных наземных растений. Большинство знаний о генетике устьиц получено из изучения Arabidopsis (родственник капусты), который сильно отличается от злаков. Оставалось загадкой, используют ли все растения те же гены, что и Arabidopsis.
Новая работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences (ведущие авторы Майкл Райссиг и Эмили Абраш), сосредоточена на устьицах злаков — семейства, включающего кукурузу, рис и пшеницу, то есть ключевые виды для продовольствия, кормов и биотоплива.
Злаки были выбраны не только из-за их важности, но и потому, что их устьица имеют уникальные особенности, делающие их более эффективными в поглощении CO2 при ограничении потери воды:
- У них форма гантели, а не бобовидная, как у большинства растений.
- Они выстроены в упорядоченные ряды вдоль листа, а не распределены хаотично.
Учёные предположили, что именно форма и распределение устьиц обусловили эволюционный успех злаков.
Используя различные лабораторные методы, команда Бергманн выяснила части регуляторных систем, которые определяют, сколько устьиц формировать, где их размещать и как придавать им уникальную форму. Оказалось, что различия возникают не из-за уникальных генов, а из-за иного использования тех же генов, что и у других растений. Это можно сравнить с перепрошивкой одной и той же схемы, в результате которой разные гены берут на себя управляющие функции.
**«Теперь у нас есть понимание генов, которые составляют универсальный набор инструментов для построения устьиц», — пояснила Бергманн. — Растения, по-видимому, используют одни и те же общие части, но способы функционирования и взаимодействия этих частей различны. Это интересно с точки зрения фундаментальной науки и может быть использовано для улучшения роста злаков, которые человечество использует в пищу или для получения топлива».