Почему злаковые культуры лучше переносят засуху

Злаковые культуры значительно более устойчивы к засухе, чем другие растения. Исследователи из Вюрцбургского университета выяснили причину этого явления. Их открытие может помочь в выведении более устойчивых к засухе сельскохозяйственных культур.

Ячмень, пшеница, кукуруза и рис — основные злаки. Они жизненно важны для питания населения мира. Фермеры производят 80% всей растительной пищи именно из злаковых культур. Этот успех отчасти объясняется способностью растений быстрее адаптироваться к сухим условиям и лучше переносить нехватку воды.

Две аминокислоты имеют значение

Учёные обнаружили, что разницу в устойчивости можно объяснить белком SLAC1 в замыкающих клетках устьиц. Всего две аминокислоты, строительные блоки белков, ответственны за засухоустойчивость растения. Исследователи хотят выяснить, можно ли использовать это небольшое отличие для повышения устойчивости к стрессу у картофеля, томатов или рапса.

Ионный транспорт — ключевой процесс

Исследователи начали с изучения устьиц — микроскопических пор на листьях. Эти отверстия позволяют углекислому газу поступать для фотосинтеза, но также служат выходом для воды. Мембранные белки, такие как SLAC1, играют ключевую роль в регуляции этого процесса: они действуют как каналы, проводя ионы в клетки и из них.

Ионный челнок делает устьичные поры более эффективными

Устьица злаков имеют особенность: пора ограничена двумя парами клеток (замыкающими и побочными), в то время как у других растений только одна пара. Побочные клетки поглощают и хранят калий и хлорид из замыкающих клеток, когда пора закрывается, и возвращают ионы обратно, когда устьице открывается. Этот ионный челнок между клетками позволяет растению регулировать поры особенно эффективно и быстро.

Две измерительные системы для большей устойчивости к засухе

Второй механизм, повышающий устойчивость злаков, связан с реакцией на стресс. При нехватке воды растения производят гормон стресса ABA (абсцизовую кислоту). Он активирует ионные каналы семейства SLAC1, инициируя закрытие устьиц.

Оказалось, что у ячменя и других злаков, помимо ABA, для закрытия устьиц также должен присутствовать нитрат. Концентрация нитрата позволяет растению оценить состояние фотосинтеза: если он идёт гладко, уровень нитратов низкий.

Таким образом, ячмень использует две системы измерения: ABA для оценки доступности воды и нитрат для оценки эффективности фотосинтеза. Комбинируя их, растение лучше других способно балансировать между крайностями «умереть от голода» (закрыв устьица) и «умереть от жажды» (открыв их) в условиях нехватки воды.

Нитратный сенсор и перспективы

Анализ каналов SLAC1 у различных травянистых растений и злаков позволил идентифицировать «нитратный сенсор» злаков. Он состоит из мотива двух аминокислот, который впервые появился у мхов в ходе эволюции и был оптимизирован.

Следующим шагом исследователи планируют проверить, принесёт ли пользу травянистым культурам наличие такого нитратного сенсора. Учёные хотят внедрить канал SLAC1 ячменя в растения arabidopsis, у которых этот канал отсутствует. Если это повысит их стрессоустойчивость, можно будет рассматривать возможность выведения оптимизированных сортов картофеля, томатов или рапса.