Q&A: Молекулярный рецепт создания растений, устойчивых к изменению климата

Растения сталкиваются с критической проблемой: адаптироваться к быстрым изменениям климата или погибнуть. Для одних это означает адаптацию к более высоким температурам и меньшему количеству воды, для других — к изменению доступности питательных веществ в почве.

С точки зрения человечества, нам крайне необходимо, чтобы продовольственные и биоэнергетические культуры успевали за изменениями климата.

Ученые могут помочь направить растения в нужном направлении с помощью генной инженерии и синтетической биологии, но сначала им необходимо понять, что происходит в ризосфере — системе, включающей корни растения, окружающую почву и все микроорганизмы, питательные вещества и химические соединения в ней.

Ритимукта Саранги, старший научный сотрудник Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, вместе с ассоциированным ученым Джоселин Ричардсон, которая поддерживает биологические и экологические (BER) исследования на объектах SSRL, используют множество рентгеновских инструментов лаборатории — кристаллографию, рассеяние, спектроскопию и микроскопию — для изучения ризосферы.

За последние несколько лет команда, которую поддерживает большая группа ученых SSRL в отделе структурной молекулярной биологии (SMB), работала над раскрытием механизмов биологического и химического обмена в ризосфере. Если ученые смогут понять эти механизмы и их последствия, они, возможно, смогут создать растения, адаптированные к климату, устойчиво увеличить поступление питательных веществ из почв и определить взаимовыгодный обмен между растениями и микробами, который хорошо реагирует на экологический стресс.

В этом Q&A Саранги рассказывает о том, как Ричардсон, сотрудники SMB и пользователи синхротрона решают проблему устойчивости растений — от молекулярного до экосистемного уровня.

Почему изучают растения?

Мы хотим выяснить, как выращивать более качественные культуры в условиях, когда температура и уровень CO₂ растут, а воды для сельского хозяйства становится меньше. Эти эффекты происходят уже сейчас и будут ускоряться в будущем.

Как рентгеновские лучи полезны для изучения ризосферы?

Наши инструменты в SSRL позволяют визуализировать происходящее на молекулярном уровне — молекулярные преобразования, которые происходят при поглощении растениями определенных питательных веществ. Все преобразования в растении — его жизнеспособность, рост, долголетие, устойчивость к болезням и засухе — начинаются с корня и ризосферы.

Наши инструменты уникальным образом позволяют увидеть, как происходят эти преобразования. Мы можем визуализировать их с помощью различных методов синхротронного излучения, и результаты помогают ответить на вопрос: «Как мы можем помочь в создании устойчивых растительных систем?»

Какие культуры нужно улучшать и почему?

Нам нужно, чтобы лучше росли все культуры! Но как объект Министерства энергетики (DOE), мы сосредоточены на биоэнергетических культурах, среди которых доминирует класс трав, используемых для создания биомассы. Эту культуру превращают в биомассу, затем биомассу — в топливо (например, этанол), которое сжигают для получения энергии.

Наши пользователи и ученые хотят выяснить, как сделать биоэнергетические культуры более устойчивыми к изменяющимся и стрессовым условиям на генетическом уровне. Наши инструменты могут помочь в понимании этих генетически модифицированных растительных систем.

Это исследование также очень актуально для продовольственных культур. У нас есть ученые, изучающие как биоэнергетические, так и продовольственные культуры в SSRL. Например, рис. Калифорния — крупный производитель риса, но также страдает от засухи, а рис — очень водоемкая культура. Кроме того, в Калифорнии есть обширные участки с загрязнением мышьяком.

Все эти факторы делают важным изучение поглощения питательных веществ ризосферой. Ученые задаются вопросами: «Можем ли мы изменить способ выращивания продовольственных культур, чтобы мышьяк не поглощался?» или «Можем ли мы изменить практику орошения, чтобы подавать культуре нужное количество воды в нужное время?». И мы можем помочь в этом.

Над какими проектами вы работаете?

Сейчас у нас идут два крупных проекта: один посвящен рису, другой — изучению синтетических почвенных сред. Проект по рису — это сотрудничество с университетским исследователем, а проект по синтетическим средам возглавляет Джоселин Ричардсон в сотрудничестве с группой ученых из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL).

Наше научное сообщество также изучает аспекты взаимодействия растений и ризосферы, такие как степени окисления металлов в почве и обмен питательными веществами между растениями и микробами, которые влияют на другие важные процессы, например, на секвестрацию углерода в почве и наземный углеродный цикл.

Можете описать сотрудничество по моделированию почвы?

Мы работаем с учеными из PNNL над созданием синтетических почвенных сред, в которых можно выращивать энергетические культуры. Технология начинается с пористого субстрата, имитирующего почву для роста растений. Затем мы можем по одному добавлять минералы, микробы или микробные сообщества, либо загрязнители, такие как мышьяк или свинец, чтобы увидеть их индивидуальное воздействие. Этого нельзя добиться при изучении реальной почвы, где на результат влияет множество других факторов.

Лаборатория экологической молекулярной науки (EMSL) в PNNL стала пионером в создании таких синтетических сред. Вместе с членами нашей команды они опубликовали статью, которая показала, как грибы захватывают питательные вещества (в частности, калий) с поверхностей минералов. Грибы могут направлять свои гифы к удаленным питательным веществам, и ученые хотели выяснить, как грибы «понимают», в каком направлении расти.

Они обнаружили, что грибы могут расти по направлению к удаленным питательным веществам только при наличии минералов. В последующих исследованиях они показали, что грибы выделяют кислоты, которые разрушают поверхность минералов, давая грибам доступ к элементам минерала и способствуя их росту.

В том сотрудничестве они изучали моделируемые почвенные среды различными методами. И нам стало очевидно, что необходимы рентгеновские инструменты. Это был момент озарения. Мы решили, что можем использовать их не только для изучения взаимодействия грибов и растений, но и расширить исследования.

Мы хотим изучить другие биоэнергетические культуры. Можем ли мы создать разнообразные моделируемые почвенные среды — от изучения очень мелких взаимодействий грибов и бактерий до исследования растений сорго? Вот откуда берет начало этот проект.

Каковы долгосрочные цели этой программы по ризосфере?

Мы только начинаем. У нас есть ключевые сотрудничества в области биоэнергетических и продовольственных культур, и мы находимся на этапе адаптации технологии PNNL, чтобы сделать ее более модульной и применимой к широкому спектру культур.

В конечном итоге мы хотим создать совместное присутствие в области устойчивого развития, охватывающее биоэнергетику, продовольственные культуры, исследования в области синтетической биологии и изучение влияния металлов в биологии на эту работу. Национальные лаборатории — лучшее место для такой совместной науки. Мы работаем вместе, объединяем различные виды экспертизы и понимаем, что сами по себе не обладаем всеми инструментами для ответа на эти сложные вопросы.

Мы в SSRL и SLAC преуспеваем в решении вопросов, связанных с поглощением питательных веществ и жизнеспособностью растений. Мы также хотим развивать наши инструменты SMB, чтобы все пользователи могли применять их для науки, соответствующей программе BER Министерства энергетики. Наука о ризосфере важна для работы в области устойчивого развития, и это область, где наши инструменты могут быть очень эффективными.