Новое открытие о том, как растения обнаруживают свет и растут, может привести к созданию более устойчивых сельскохозяйственных культур

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон обнаружили, где именно в стеблях растений действует важный фоторецептор. Это открытие может помочь аграриям повысить успешность выращивания таких культур, как соя.

Исследование, опубликованное в журнале Current Biology, дает новое понимание того, как проростки обнаруживают свет в окружающей среде и определяют свою стратегию роста.

Ученым было известно, что фоторецепторы помогают проросткам определить, когда они достигли достаточного количества солнечного света, когда прекратить удлинение стеблей и когда начать фотосинтез для производства энергии. Но до сих пор они не были уверены, где именно в проростке действуют эти фоторецепторы, и им приходилось изучать все растение, чтобы наблюдать за результатами.

«Впервые мы поняли, что эффект этих фоторецепторов проявляется не по всей длине стебля и что разные фоторецепторы контролируют разные участки стебля», — объясняет Эдгар Сполдинг, почетный профессор ботаники UW–Madison.

Сполдинг вместе с аспирантом Джулианом Бустаманте и специалистом по данным Натаном Миллером изолировали эффекты определенных фоторецепторов с помощью генетического редактирования и сфотографировали рост крошечных проростков с помощью высокочувствительных камер. Они проанализировали фотографии с использованием машинного обучения и высокопроизводительных вычислительных ресурсов UW, чтобы определить, где каждый фоторецептор контролировал рост стебля.

Успешное укоренение — здоровое раннее развитие растения, укореняющегося в почве, — является критическим показателем успеха культуры. Понимание того, как именно фоторецепторы влияют на этот уязвимый период роста, представляет большой интерес как для фермеров, так и для исследователей.

Чтобы прорасти, растение удлиняет свой стебель, чтобы пробиться сквозь почву, пока его фоторецепторы не обнаружат достаточно солнечного света, который позволит растению генерировать собственную энергию посредством фотосинтеза. До этого момента оно должно полагаться на ограниченный запас энергии и питательных веществ, хранящихся в его семени.

Иногда, после того как проростки появляются из почвы, они могут снова быть покрыты землей из-за ветра, кормящегося животного или других факторов. Без адекватного воздействия солнечного света фоторецепторы сигнализируют растению, что оно больше не может производить энергию посредством фотосинтеза. Но благодаря фоторецептору под названием криптохром-1 (cry1), это не конец для проростка.

Сполдинг и его команда обнаружили, что cry1 не только контролирует удлинение верхней части стебля растения, но также играет роль в том, чтобы вернуть растение к солнечному свету.

Когда растение изначально прорастает, cry1 останавливает его от полного удлинения, сохраняя некоторый запас энергии и длины стебля. Таким образом, когда проросток снова оказывается покрыт почвой, этот фоторецептор может сигнализировать растению удлинить стебель, пока он снова не окажется над поверхностью.

Исследователи могут использовать эти новые знания для генетической модификации семян с целью усиления роли cry1, обеспечивая уязвимым культурам необходимый резерв длины для удлинения и энергии, чтобы снова появиться на поверхности, если они будут засыпаны.

Сполдинг надеется, что эта работа поможет сосредоточить будущие области исследований в области инноваций сельскохозяйственных культур и создать более устойчивые растения, дающие более прибыльный урожай.