Трансгенные растения: стратегия «умри и дай жить другим» повышает устойчивость к засухе
Исследователи из Университета Пердью обнаружили, что создание растений, производящих высокие уровни белка PYL9, значительно повысило устойчивость риса и модельного растения Arabidopsis к засухе.
В условиях сильной засухи трансгенные растения запускали смерть своих старых листьев — процесс, известный как старение (сенесценция), — чтобы сохранить ресурсы для семян и почек. Это стратегию выживания некоторые учёные называют «умри и дай жить другим».
Исследование проливает свет на механизмы выживания растений при засухе и предлагает возможный способ защиты сельскохозяйственных культур от сильного стресса.
«Это исследование показывает, что контролируемое старение полезно для растений в условиях засухи», — сказал Ян Чжао, первый автор исследования. «Это сочетание смерти и жизни похоже на стратегию сортировки. Если старые листья отмирают, то почки и молодые листья могут получить жизнь».
Поскольку растения не могут убежать от засухи, они используют ряд стратегий выживания в ожидании лучших условий. Их реакции на засуху контролируются гормоном абсцизовой кислотой (ABA), который регулирует рост и развитие и направляет реакцию растений на стресс.
Краткосрочные реакции на засуху включают закрытие устьиц — отверстий, которые «выдыхают» воду, — и создание дополнительного воска для удержания влаги в листьях. Долгосрочные засушливые условия заставляют растения переходить в состояние покоя и перенаправлять водные и питательные ресурсы от листьев к тканям-поглотителям, таким как семена и почки — резервуарам для нового роста.
Чжао и его коллеги обнаружили, что изменение растений для сверхэкспрессии PYL9 сделало их высокочувствительными к ABA. Стресс-чувствительный промоторный белок контролировал уровень экспрессии PYL9 в растениях.
Генетические изменения позволили Arabidopsis и рису лучше переносить сильный засушливый стресс и вызывали более раннее пожелтение старых листьев по сравнению с растениями дикого типа.
Трансгенный рис PYL9 имел 50% выживаемость после двухнедельной засухи по сравнению с 10% выживаемостью у риса дикого типа.
Чжао, однако, предупредил, что скачок выживаемости не означает, что урожайность трансгенных растений в условиях засухи будет равна урожайности обычных сортов риса в хороших условиях. Исследование не проверяло урожайность.
«Мы всё ещё не можем решить проблему засухи, — сказал он. — Но мы можем сделать её менее острой. В условиях экстремальной засухи даже плохой урожай лучше, чем ничего, с точки зрения сохранения человеческой жизни».
Трансгены не влияли на рост и развитие растений в нормальных условиях, что позволяет предположить, что их можно использовать для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе.
«Сложно определить конкретную функцию отдельных белков PYL, — сказал Цзянь-Кан Чжу, главный исследователь. — Это исследование не только проясняет функцию PYL9 в стресc-индуцированном старении листьев, но и демонстрирует большой потенциал использования PYL9 для повышения устойчивости растений к засухе».
Неожиданно, когда трансгенные растения обрабатывали ABA в нормальных условиях, старые листья начали увядать, даже несмотря на достаточный полив. Это говорит о том, что растения заблокировали доступ старых листьев к воде, предпочтительно направляя её к развивающимся тканям.
Исследовательская группа пришла к выводу, что в условиях сильной засухи гиперчувствительность к ABA приводит к усилению старения и гибели старых листьев, но защищает молодые ткани, отправляя их в состояние покоя. Исследование также предполагает, что основный сигнальный путь ABA играет решающую роль в выживании растений во время экстремальной засухи, и что старение является полезной стратегией защиты от засухи — ранее эти моменты были предметом споров среди учёных.
«Эта общая связь наконец раскрывает лежащий в основе молекулярный механизм индуцированного засухой и ABA старения листьев и его связь со способностью пережить экстремальную засуху», — сказал Чжао.
Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences в понедельник, 1 февраля 2016 года.