Реакция сельскохозяйственных культур на засуху может быть столь же сложной, как день и ночь

Исследователи определили набор генов, которые помогают контролировать раннюю реакцию на засуху у важной сельскохозяйственной культуры. Новаторское исследование, проведенное Дартмутским колледжем, Университетом Вайоминга и Центром наук о растениях Дональда Данфорта, отличается от предыдущих работ тем, что фокусируется на полном суточном цикле и анализирует как генетические, так и физиологические изменения.

Исследование, опубликованное в журнале eLife, сосредоточено на ранней стадии реакции растения на засуху. Оценивая изменения в менее экстремальных условиях, ученые надеются понять, как растения реагируют на водный стресс, чтобы создать более устойчивые к засухе культуры.

«Даже до того, как растение проявляет видимые признаки увядания, происходят масштабные изменения в экспрессии генов и физиологии», — сказал профессор биологических наук Дартмутского колледжа К. Робертсон Маккланг.

Для исследования ученые сосредоточились на Brassica rapa — культуре, к которой относятся китайская капуста, репа и масличные сорта. Растение широко используется в Азии, Канаде и Европе и приобретает все большее значение в США.

Команда лишала растения воды в течение четырех дней, проводя наблюдения на третий и четвертый день. Отслеживая реакции растения на водный стресс в течение 48 часов, исследователи выявили ночную активность, указывающую на то, что Brassica может реагировать на раннюю стадию засухи более полным закрытием устьиц ночью. Устьица — это поры на растении, обеспечивающие обмен углекислым газом и водой.

В ходе тех же наблюдений команда идентифицировала гены, которые реагировали на засуху, но также включались и выключались в зависимости от времени суток даже при нормальном поливе. Во время засухи нормальное поведение этих генов либо усиливалось, либо подавлялось.

«Особенно интригующим является увеличение экспрессии генов, отвечающих за поглощение азота, ночью в период ранней засухи», — сказал профессор Университета Вайоминга Брент Юэрс. Это дает потенциальный механизм для объяснения наблюдений последних 10 лет о том, что растения увеличивают ночное потребление воды при умеренном стрессе от недостатка воды и питательных веществ.

Сочетание генетической и физиологической информации о том, как растение реагирует на водные условия в разное время суток, может помочь исследователям выявить конкретные гены, которые сильнее всего реагируют на эти условия. Это, в свою очередь, может привести к созданию большей устойчивости к засухе у Brassica rapa и, возможно, других культур.

«Многие гены включаются или выключаются в разное время суток на основе циркадных ритмов, — сказал Маккланг, — и мы пытаемся определить небольшое подмножество генов, которые меняются именно в ответ на засуху».

Приведенная в исследовании статистика указывает, что только в США водный стресс является основной причиной потери урожая, а 45% поверхности страны страдает от низкой доступности воды. Урожайность таких культур, как кукуруза и соя, наиболее чувствительна к краткосрочным летним засухам.

«Из-за изменения климата у нас будет больше экстремальных погодных явлений, — сказал Маккланг. — Нам нужно понять, как растения реагируют на нехватку воды, чтобы информировать селекцию для повышения засухоустойчивости».

Исследование, спонсируемое программой NSF-Plant Genome Research Program, может иметь большое значение в условиях растущего населения мира и урожайности, которая может не достичь прогнозируемых целей.

Хотя исследование все еще находится на ранней стадии, ученые надеются, что продолжающийся успех в идентификации генов, фактически вызывающих изменения, формирующие реакцию на засуху, поможет селекционерам быстрее и точнее повышать засухоустойчивость, потенциально улучшая при этом эффективность удобрений.