Ученые помогли растениям регенерировать после повреждений, сместив баланс от защиты к восстановлению
Новое исследование показало, что после травмы растения делают выбор между восстановлением поврежденных тканей и усилением защитных механизмов. Работа, проведенная учеными из Центра геномики и системной биологии Нью-Йоркского университета, опубликована в журнале Developmental Cell.
Понимание того, как растения регулируют эти ответы, позволило исследователям направить раненые растения по пути регенерации, а не защиты. Эта стратегия может быть полезна для улучшения регенерации у важных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза.
Стратегия растений: «защищаться или восстанавливаться»
Растения подвергаются множеству атак и повреждений — от поедания листьев гусеницами и кроликами до поражения корней личинками или грибами.
В отличие от животных, которые используют реакцию «бей или беги», растения не могут убежать. Вместо этого травма запускает у них ответ «защищаться или восстанавливаться», побуждая либо регенерировать поврежденные части, либо защищаться. Для защиты растения быстро производят соединения, призванные остановить дальнейшие атаки животных или патогенов.
Компромисс между защитой и регенерацией
Исследование было направлено на понимание связи между этими двумя ответами. Ученые изучали Arabidopsis (резуховидку Таля) — модельное растение в биологии, а также кукурузу — крупнейшую сельскохозяйственную культуру США.
После отрезания кончиков корней и других частей растений исследователи наблюдали, что растения запускают как ответ регенерации, так и защитный ответ, но не усиливают оба одновременно до максимума. Более того, ослабление одного ответа увеличивает другой.
Ответы «защищаться или восстанавливаться» связаны, как качели или весы: если один усиливается, другой ослабевает. Растения, по сути, распределяют риски после атаки.
Ключевая роль глутаматных рецепторов
Исследователи обнаружили, что этот баланс регулируется растительными глутамат-рецептор-подобными (GLR) белками — дальними родственниками глутаматных рецепторов мозга. Это позволило использовать препараты из нейробиологических исследований для изучения реакции растений на повреждение.
Ранее GLR были известны своей ролью в защитных ответах. Однако в этом исследовании они также сыграли роль в регенерации после травмы: сигналы, опосредованные GLR, ослабляли систему регенерации и усиливали защитный ответ.
Усиление регенерации через ингибирование рецепторов
Осознание того, что GLR регулируют оба ответа, открывает возможность улучшить рост сельскохозяйственных культур, особенно злаков (кукуруза, сорго, пшеница), которые особенно устойчивы к регенерации.
Ученые воздействовали на GLR двумя способами: генетически и с помощью препаратов.
- Генетический подход: Сравнивались ответы на повреждение у нормальных растений и «четверных мутантов» — растений с мутациями в четырех генах, связанных с GLR. Четверные мутанты лучше регенерировали, что говорит о том, что мутации ослабили защитный ответ и тем самым усилили ответ регенерации.
- Фармакологический подход: Использовались три нейрональных антагониста для ингибирования активности GLR. Каждый из препаратов блокировал GLR-опосредованную передачу сигналов после травмы, что смещало «принятие решения» растениями в пользу регенерации. Это dramatically (значительно) усиливало регенерацию — даже сильнее, чем у четверных мутантов.
Перенастройка баланса между защитой растений и регенерацией может быть использована для улучшения регенерации в биотехнологиях, сохранении видов и размножении основных продовольственных культур. Выведение культур, которые легче регенерируют и могут адаптироваться к новым условиям, критически важно перед лицом изменения климата и отсутствия продовольственной безопасности.