Инженерия растительных тканей повышает устойчивость к засухе и засолению

Ученые в течение нескольких лет экспериментировали и создали генетически модифицированный резуховидок Таля (Arabidopsis thaliana), который ведет себя как суккулент. Это улучшило эффективность использования воды, устойчивость к засолению и снизило последствия засухи. Метод инженерии тканевой суккулентности, разработанный для этого небольшого цветкового растения, можно применять к другим растениям для повышения устойчивости к засухе и засолению, с конечной целью внедрения этого подхода в продовольственные и биоэнергетические культуры.

"Водозапасающая ткань — одна из самых успешных адаптаций растений, позволяющая им переживать длительные периоды засухи. Эта анатомическая черта станет еще важнее по мере роста глобальных температур, увеличивающих масштабы и продолжительность засух в XXI веке", — сказал профессор биохимии и молекулярной биологии Джон Кушман, соавтор статьи в Plant Journal.

Эта работа будет объединена с другим проектом Кушмана: инженерией другого признака — CAM-фотосинтеза (crassulacean acid metabolism). Это водосберегающий тип фотосинтеза, который можно внедрить в растения для повышения эффективности использования воды.

"Эти две адаптации работают рука об руку, — сказал Кушман. — Наша общая цель — создать CAM, но для эффективности этого процесса нам нужно было создать анатомию листа с более крупными клетками для хранения яблочной кислоты, которая накапливается в растении ночью. Дополнительным бонусом стало то, что эти более крупные клетки также служат для хранения воды, чтобы преодолеть засуху, и для разбавления солей и других ионов, поглощаемых растением, повышая его солеустойчивость".

Команда ученых создала генетически модифицированный A. thaliana с увеличенным размером клеток. Это привело к появлению более крупных растений с утолщенными листьями, повышенной водоудерживающей способностью, а также с меньшим количеством устьичных пор и их менее широким раскрытием для ограничения потери воды. Эффект был достигнут за счет сверхэкспрессии гена VvCEB1, участвующего в фазе расширения клеток при развитии ягод винограда.

Полученная тканевая суккулентность служит двум целям:

1. Более крупные клетки имеют более крупные вакуоли для хранения малата ночью, который служит источником углерода для высвобождения CO₂ и его повторной фиксации днем при закрытых устьицах. Это ограничивает фотодыхание и потерю воды.
2. Суккулентная ткань удерживает CO₂, высвобождаемый днем при декарбоксилировании малата, что позволяет ферменту Rubisco повторно фиксировать его более эффективно.

Одним из основных преимуществ сверхэкспрессии гена VvCEB1 стало наблюдаемое улучшение эффективности использования воды на уровне целого растения: мгновенная эффективность выросла в 2.6 раза, а интегральная — в 2.3 раза. Эти улучшения коррелировали со степенью утолщения листьев и тканевой суккулентности, а также с более низкой плотностью устьиц и уменьшенным размером их отверстий.

Инженерная тканевая суккулентность ожидается как эффективная стратегия для:

• Повышения эффективности использования воды.
• Избегания или смягчения последствий засухи.
• Повышения солеустойчивости.
• Оптимизации работы CAM-фотосинтеза.

CAM-растения очень эффективны в использовании воды (в 5–6 раз эффективнее обычных растений), так как открывают устьица для поглощения CO₂ только ночью, когда испарение ниже.

Учитывая, что спрос на сельхозпродукцию к 2050 году может вырасти на 70% для обеспечения населения планеты, которое достигнет примерно 9.6 миллиарда, Кушман и его команда разрабатывают такие биотехнологические решения для решения потенциального будущего дефицита продовольствия и биоэнергии.

"Мы планируем внедрить как инженерию тканевой суккулентности, так и CAM в сельскохозяйственные культуры. Текущая работа — это доказательство концепции", — сказал Кушман.