Подводные «дышащие» растения могут стать ключом к созданию устойчивых к стрессу сельскохозяйственных культур

Водно-болотные растения обладают высокой устойчивостью к затоплению благодаря образованию «лизигенных аэренхим» — воздушных каналов, которые помогают переносить газы к погружённым корням. Эти каналы также помогают растению переносить засуху и дефицит питательных веществ. Учёные из Японии исследовали механизм формирования аэренхимы, чтобы лучше понять это явление, открывая путь к созданию культур, устойчивых к экстремальным погодным изменениям.

Наводнения и засухи — основные экологические бедствия, ответственные за большинство потерь урожая. Формирование аэренхимы может помочь культурам справляться с этими стрессами. Однако она нечасто наблюдается у неводно-болотных видов, таких как пшеница и кукуруза, которые являются основными продовольственными культурами во многих регионах мира. Исследователи Такаки Ямаути и Микио Накадзоно из Университета Нагоя проанализировали литературу по теме, чтобы получить полное представление о различных факторах, участвующих в формировании аэренхимы. «Если мы сможем генетически контролировать время и количество образования лизигенной аэренхимы в корнях всех агрономически важных культур, таких как кукуруза, пшеница и соя, глобальные потери урожая можно будет dramatically сократить», — говорит доктор Накадзоно.

Исследователи предлагают представлять лизигенную аэренхиму как трубку для подводного плавания. Во время затопления корни лишаются доступа к кислороду и другим жизненно важным газам. В ответ растение создаёт воздушные пути, соединяющие погружённые части с надводными. Подобно трубке, эти пути помогают растению «дышать», транспортируя газы к корням. Более того, воздушные каналы снижают энергозатраты на дыхание и помогают растению экономить энергию в экстремальных условиях засухи или дефицита питательных веществ.

Учёные обнаружили, что для образования аэренхимы при нормальном росте корней необходим фитогормон «ауксин», и определили два фактора, приводящих к её индукции в ответ на затопление. Явление начинается, когда корни погружены в воду в аэробных условиях. Ограничение газообмена вызывает накопление этилена в корнях, что стимулирует выработку respiratory burst oxidase homolog (RBOH) — фермента, ответственного за производство активных форм кислорода (ROS). Как выяснилось, высвобождаемые ROS запускают гибель клеток в тканях, образуя полости для прохода газов.

RBOH также может активироваться присутствием ионов кальция (Ca²⁺), транспортируемых из апопласта (водных путей). Некоторые растения имеют кальций-зависимые протеинкиназы, которые используют Ca²⁺ для добавления фосфатных групп к RBOH, стимулируя его производить ROS. Этот эффект возникает на более поздних стадиях, когда растения постепенно испытывают кислородную недостаточность после длительного погружения.

Хотя аэренхима в основном ассоциируется с растениями, адаптированными к почвам с высоким содержанием воды, она также может развиваться у сухопутных растений при засухе и дефиците питательных веществ. Было обнаружено, что низкие концентрации азота и фосфора, необходимых для роста растений, повышают чувствительность к этилену, стимулируя образование аэренхимы. Более того, этилен также был общим фактором, запускающим аэренхиму у кукурузы, что предлагает способ повысить устойчивость этой культуры. «Повышение чувствительности к этилену может быть эффективной стратегией для стимуляции образования аэренхимы в отсутствие ограниченной диффузии газов», — предполагает доктор Ямаути.

Хотя механизм формирования аэренхимы остаётся не до конца ясным, что указывает на необходимость дальнейших исследований, результаты этого исследования открывают возможность повышения устойчивости сельскохозяйственных культур и прокладывают путь к улучшению продовольственной безопасности в условиях изменения климата.

Статья «Mechanisms of lysigenous aerenchyma formation under abiotic stress» была опубликована в журнале Trends in Plant Science 20 ноября 2021 года.