Расшифровка молекулярного «языка» растений для борьбы с голодом
Исследовательница Шелли Лумба, выросшая на рисовой ферме бабушки и дедушки на Филиппинах, стала свидетелем пользы Зелёной революции. Новые гибридные сорта риса позволили её семье не только прокормиться, но и продавать излишки.
Сегодня, будучи доцентом кафедры клеточной и системной биологии (CSB) Университета Торонто, Лумба изучает молекулярные механизмы коммуникации между организмами. Её цель — создать новые способы борьбы с глобальным голодом, бедностью и изменением климата.
Молекулярный язык симбиоза и паразитизма
Растения общаются с почвенными грибами, выделяя гормоны строголактоны (SLs). Эти гормоны запускают образование микоризы — симбиоза, при котором грибы поставляют растению фосфаты, а взамен получают углерод.
Те же SLs, наряду с другими гормонами (например, гиббереллинами), играют ключевую роль в прорастании семян, когда условия становятся благоприятными.
Угроза «фиолетового вампира» — повилики (Striga hermonthica)
Повилика, или ведьмина трава, — паразитическое растение, которое ООН считает главным препятствием для борьбы с бедностью в Африке. Оно атакует корни злаков (кукуруза, сорго, просо, рис), лишая их влаги и питательных веществ.
- Одно растение производит до 100 000 семян.
- Семена могут десятилетиями оставаться в спячке в почве.
- Паразит наносит ущерб ещё до появления всходов над землёй.
- Годовой ущерб сельскому хозяйству Африки оценивается примерно в 9 млрд долларов США.
- Заражение затрагивает жизнь более 100 миллионов человек в 25 странах.
Прорыв в исследованиях: создание модельного растения
Эксперименты с повиликой в лаборатории сложны из-за её паразитической природы и строгих регуляций. Главным прорывом лаборатории Лумбы стало создание эффективной модели.
Исследователи встроили SL-рецепторы от повилики в растение Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля). Это позволило семенам Arabidopsis прорастать в ответ на SLs, минуя обычный путь, требующий гиббереллинов. Эта модифицированная линия стала удобной моделью для изучения молекулярного ответа на SLs.
Потенциальные приложения исследований
Понимание того, как семя реагирует на SLs на молекулярном уровне, открывает новые стратегии борьбы с паразитом:
- Дизайн более дешёвых молекул-аналогов SLs для запуска «суицидального прорастания» семян повилики в пустых полях.
- Создание молекул, блокирующих прорастание паразита даже в присутствии SLs от растения-хозяина.
«Я надеюсь, что время от лабораторной скамьи до поля будет не слишком долгим», — говорит Лумба.
Более широкая цель: улучшение симбиоза с грибами
Лумба и её коллеги также исследуют, почему и как грибы реагируют на SLs. Усиление этого симбиотического взаимодействия (от которого зависят 80% растений) может привести к:
- Созданию более выносливых культур.
- Сокращению потребности в удобрениях.
- Уменьшению стока фосфатов в водоёмы.
- Снижению выбросов парниковых газов.
- Повышению урожайности.
«Потенциальное влияние таких исследований огромно, — говорит Лумба. — Речь идёт о здоровой почве для здоровой планеты».