Дополнительное железо помогает пшенице в стрессе вырасти большой и сильной

Исследователи под руководством Кейити Мочиды из Центра устойчивых ресурсов RIKEN (CSRS) в Японии обнаружили, что длительные периоды высокого стресса приводят к дефициту железа и замедлению роста у пшеницы. Эксперименты показали, что снижение дефицита железа с помощью синтетической органической молекулы PDMA приводит к лучшему росту и более здоровым растениям.

Эти результаты — хорошая новость как для фермеров, так и для потребителей и могут привести к созданию методов обработки полей, улучшающих производство пшеницы в условиях длительной жары. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Одна из главных угроз продолжающегося изменения климата — длительные периоды жары, которые нарушат производство продуктов питания. Даже умеренное потепление может снизить урожайность холодостойких зерновых культур, таких как пшеница: по одной глобальной оценке, производство пшеницы падает на 6% при каждом повышении температуры на 1°C.

У таких культур не только снижается фотосинтез и образуются более мелкие зёрна, но и зерно становится менее питательным. Хотя большинство исследований адаптации растений к тепловому стрессу сосредоточено на остром стрессе (очень высокие температуры в течение нескольких дней), команда Мочиды предположила, что более серьёзную угрозу от изменения климата представляют длительные периоды умеренно высоких температур.

Исследователи изучили, что происходит с пшеницей после двух недель умеренного теплового стресса. По сравнению с пшеницей, выращенной при нормальных температурах, растения в стрессе весили меньше, и анализ показал снижение фотосинтеза. Проверка на дефицит питательных веществ выявила, что листья растений в тепловом стрессе содержали менее половины нормального количества железа. Может ли их замедленный рост быть результатом дефицита железа?

Генетически пшеница сложна. Чтобы изучить биологические детали, исследователи обратились к генетически более простой траве — ложному коротконожнику пурпурному (Brachypodium distachyon), который часто используется как модельное растение для изучения зерновых культур.

В экспериментах модельная трава реагировала на тепловой стресс почти так же, как пшеница. Но степень воздействия и дефицит железа варьировались от образца к образцу. Например, образец травы Bd21 имел крайне низкую биомассу, очень жёлтые листья и на 91% меньше железа, чем растения, выращенные при нормальных температурах. С другой стороны, образец Bd21-3 имел более мягкие симптомы и лишь 61% дефицита железа.

Благодаря более простому геному исследователи смогли сравнить эти два образца и определить ген BdTOM1, ответственный за разницу.

Растения не могут усваивать железо из почвы напрямую. Вместо этого они производят органические соединения — мугинеиновые кислоты — и выделяют их в почву. После того как эти соединения связываются с железом в почве, растения могут поглощать его через корни. Ген BdTOM1 отвечает за производство мугинеиновых кислот.

Анализ показал, что после двух недель теплового стресса в корнях образца травы Bd21-3 было значительно больше дезоксимугинеиновой кислоты, чем у Bd21. Это объясняет, почему у Bd21 был больший дефицит железа, и указывает, что вариации в гене BdTOM1, вероятно, приводят к различиям в восприимчивости к тепловому стрессу.

Затем исследователи предположили, что можно уменьшить дефицит железа и улучшить рост, давая чувствительным к теплу растениям больше дезоксимугинеиновой кислоты. Они проверили эту гипотезу на модельной траве и пшенице, используя синтетическую дезоксимугинеиновую кислоту PDMA. Гипотеза подтвердилась: в условиях теплового стресса обработка PDMA приводила к улучшению фотосинтеза и увеличению биомассы, при условии, что концентрация PDMA не была слишком высокой.

Мочида оптимистично оценивает перспективы применения этих результатов в полевых условиях: «В краткосрочной перспективе это исследование предлагает новый подход к повышению устойчивости сельскохозяйственных культур к тепловому стрессу, демонстрируя потенциал оптимизации усвоения железа и повышения продуктивности сельского хозяйства. В долгосрочной перспективе селекционные усилия, направленные на гены, участвующие в гомеостазе питательных веществ, могут способствовать продовольственной безопасности и устойчивому сельскому хозяйству с учётом климатических сценариев, потребностей общества и конкуренции за ресурсы между такими секторами, как сельское хозяйство и энергетика».