У разных сортов кукурузы в США обнаружены большие различия в способности искать воду

Корни кукурузы способны находить воду в почве своими самыми кончиками, но у некоторых сортов, включая многие, используемые для выведения высокоурожайной кукурузы в США, эта способность, по-видимому, частично утрачена. Это показало исследование под руководством учёных из Стэнфорда. В условиях учащения засух из-за изменения климата результаты могут помочь в создании более устойчивых сортов.

Исследование, опубликованное в журнале Science, раскрывает генетические механизмы «гидропаттернинга» корней — способности ветвиться в сторону воды и избегать сухих участков почвы. В частности, учёные обнаружили, что на этот процесс влияет этилен — растительный гормон, известный своей ролью в созревании бананов.

«Растения умеют "видеть", где в почве находится вода. Гены, ответственные за это, играют важную роль в создании корневой системы, оптимизированной для эффективного поглощения воды», — пояснил старший автор работы, профессор биологии Стэнфордского университета Хосе Диннени.

По его словам, растения используют газообразный этилен, производимый корнями, чтобы определять воздушные полости в почве, а затем регулируют ветвление корней под действием этого гормона.

Корни, ищущие воду

Хотя лаборатория Диннени ранее уже показала высокую чувствительность корней кукурузы к воде, новое исследование выявило, что эффективность этого процесса сильно зависит от конкретного сорта.

Для этого исследования учёные разработали новый упрощённый метод изучения чувствительности корней к воде, позволивший проанализировать реакции 250 сортов кукурузы, представляющих генетический пул современной селекции.

Оказалось, что сорта, адаптированные к тропическим или субтропическим регионам (например, Мексике), очень хорошо образуют новые корневые ответвления в сторону воды и избегают сухих зон.

Напротив, сорта, адаптированные к умеренным регионам Северной Америки, часто росли корнями во многих направлениях, не различая сухие и влажные участки почвы. Эта работа стала возможной благодаря международному сотрудничеству нескольких исследовательских групп, обладающих экспертизой в количественной генетике, эволюции и развитии корней.

Развитие современной кукурузы, выращиваемой в США (часто на высокоплодородных землях), могло ослабить её корневую реакцию на поиск воды. Сравнение с полевыми исследованиями также показало, что более сильный гидропаттеринг связан с большей глубиной корневой системы.

«Интересно, что растения, которые лучше чувствуют, где вода, также формируют более глубокие корневые системы», — отметил ведущий автор исследования, постдок Йоханнес Шарвис. — «Одна из гипотез: если растение не тратит энергию на рост корней в местах, где нет воды и питательных веществ, у него остаётся больше ресурсов, чтобы расти глубже, где вода более вероятна».

Цель — устойчивость к засухе

Генетический анализ показал, что в реакции корней кукурузы на воду участвуют два растительных гормона: ауксин и этилен. Если роль ауксина была известна ранее, то участие этилена стало новым открытием.

В экспериментах с резуховидкой Таля (Arabidopsis thaliana) — модельным растением — учёные обнаружили, что генетические сигнальные пути этих гормонов дополняют друг друга:

• Сигналинг ауксина способствует развитию корневых ответвлений в сторону воды.
• Этилен подавляет ветвление, когда корень подвергается воздействию воздуха.

Для создания сортов кукурузы с более устойчивой к засухе корневой системой необходимо лучше понять взаимодействие этих генетических путей. Однако результаты подчёркивают важность изучения локальных реакций на кончиках корней.

«Каждый кончик корня действует как сенсор в почве. Он ищет воду и питательные вещества и контролирует, в каком направлении должны расти новые корневые ответвления», — сказал Шарвис. — «Нам нужно больше изучать эти локальные реакции корней, чтобы понять поведение всего растения, а затем использовать эти знания для создания более устойчивых к засухе растений».