Прорыв в создании устойчивых к наводнениям культур

Катастрофические наводнения в таких странах, как Пакистан, Бангладеш, Вьетнам, а также в некоторых регионах США и Великобритании делают устойчивость сельскохозяйственных культур к частичному или полному затоплению ключевой целью для глобальной продовольственной безопасности. Лишённые кислорода растения не могут долго выживать в условиях наводнения, что приводит к резкому снижению урожайности.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде и Ноттингемского университета обнаружили, как растения чувствуют низкий уровень кислорода, чтобы выжить при затоплении. Это открытие может в перспективе привести к созданию высокоурожайных, устойчивых к наводнениям культур.

Молекулярный механизм

Учёные выявили молекулярный механизм, контролирующий ключевые регуляторные белки растений — транскрипционные факторы. В нормальных условиях кислорода эти белки нестабильны и разрушаются. Когда корни или побеги затоплены и уровень кислорода падает, белки становятся стабильными.

"Когда клетка растения испытывает кислородное голодание, она не может эффективно генерировать аденозинтрифосфат (АТФ) — высокоэнергетическую молекулу для хранения энергии", — объяснила профессор генетики Джулия Бейли-Серрес. "Растение пытается использовать другой подход: задействует свои энергетические резервы, что приводит к усиленному расщеплению сахаров для производства АТФ. Эти изменения в метаболизме характерны для стресса, вызванного низким содержанием кислорода".

Исследование, описывающее механизм оборота белков, чувствительных к кислороду, опубликовано 23 октября в журнале Nature.

Роль белка SUB1A

Бейли-Серрес с 2003 года изучает клеточные механизмы, регулирующие устойчивость риса к затоплению. Её лаборатория сосредоточена на гене SUB1A, ответственном за толерантность к полному погружению у некоторых низкоурожайных сортов риса в Индии и Шри-Ланке. Этот ген был внедрён в современные сорта риса, позволяя растениям выживать после двух и более недель полного затопления.

Эксперименты проводились на Arabidopsis — модельном растении. Белки, подобные SUB1A, есть и у него. Однако, к удивлению исследователей, белок SUB1A риса оказался устойчив к механизму оборота белков в нормальных условиях кислорода.

"Мы полагаем, что способность SUB1A избегать разрушения в условиях нормального кислорода может позволять ему приносить пользу затопленным растениям риса", — отметила Бейли-Серрес. "Ген SUB1A активируется газом этиленом, который накапливается в клетках во время затопления. Поскольку белку не требуется нехватка кислорода для стабильности, он может начать работать раньше, чтобы помочь растению".

Перспективы применения

Ожидается, что в течение следующего десятилетия учёные смогут управлять механизмом оборота белков у широкого спектра культур, подверженных повреждению от наводнений. Это открытие объединило экспертизу двух команд: в области реакции растений на затопление (Бейли-Серрес) и в области механизма оборота белков, известного как "N-end rule pathway of targeted proteolysis" (Майкл Холдсворт).