Выведение солеустойчивых растений
Растение киноа может служить моделью для придания солеустойчивости другим культурам. Оно хорошо растет на засоленных почвах, потому что избыток соли просто сбрасывается в специальные пузырьки на его листьях.
Засоление почв — одна из проблем эрозии, угрожающая продовольственной безопасности. Оно особенно затрагивает засушливые регионы, где фермеры вынуждены интенсивно орошать поля. Большое количество растворенных в воде солей, таких как натрий и хлорид, проникает в почву и остается там после испарения воды. Соль угнетает рост растений и в долгосрочной перспективе может сделать почвы бесплодными.
Все предыдущие подходы к выведению солеустойчивых растений можно считать более или менее провальными. Они были направлены на то, чтобы заставить культурные растения расти на засоленных почвах, и в процессе выявить устойчивые линии. Но этот подход не может сработать, потому что современные культурные растения, будучи результатом многолетней селекции, утратили естественную устойчивость к негативным воздействиям окружающей среды.
Солеустойчивые растения как модель
Новая стратегия, разрабатываемая учеными, делает ставку на естественно солеустойчивые растения, такие как киноа (Chenopodium quinoa). Это псевдозерновая культура из Анд, используемая в пищу около 7000 лет.
Растение поглощает соль из почвы и накапливает ее в пузырчатых клетках на поверхности листьев. Это защищает солечувствительные метаболические процессы.
Без пузырчатых клеток киноа страдает от солевого стресса. Исследователи доказали это простым способом: несколько легких касаний кисти по листу киноа приводят к отрыву пузырчатых клеток. Лишенные этих "солевых резервуаров", растения на незасоленной почве растут так же хорошо, как и контрольные, но при воздействии соли их рост значительно замедляется.
Эти круглые или овальные клетки диаметром почти полмиллиметра являются гигантами в растительном мире. Их емкость для хранения соли до 1000 раз выше, чем у любой обычной клетки поверхности листа.
Цена избавления от соли — сахар
Для понимания "операционной системы" киноа была расшифрована ДНК этого растения. Сравнение активных генов в листьях и пузырчатых клетках показало:
- В пузырчатых клетках активны гены, которые у других видов работают только при стрессе, включая транспортеры ионов натрия и хлорида.
- Стимуляция солью активирует дополнительные гены, необходимые для поддержания сигнального пути гормона стресса ABA.
Накопление соли требует энергии. Эту энергию пузырчатые клетки генерируют из молекул сахара, которые они специально импортируют из листа. "Пузырчатые клетки получают необходимую энергию от листа и, в свою очередь, поглощают токсичную соль", — объясняет профессор Райнер Хедрих.
Перенос солеустойчивости в культурные растения
Новые результаты, опубликованные в журнале Cell Reports, в долгосрочной перспективе будут использованы для селекции солеустойчивых растений.
Следующие шаги включают использование комбинации генетики развития и функционального анализа солевых транспортных белков, чтобы понять молекулярные механизмы солеустойчивости киноа. Исследователи будут изучать линии киноа с очень большим или очень малым количеством солевых пузырьков, имея в распоряжении около 2000 диких и культивируемых разновидностей из Анд.
Конечной целью работы может стать не только выведение сортов киноа с еще более высокой солеустойчивостью, но и перенос генов солеустойчивости в родственные сельскохозяйственные культуры, такие как сахарная свекла или шпинат.