Учитывая ущерб, наносимый урожаям в результате изменения климата, а также рост мирового населения и спроса на продовольствие, очевидно, что в будущем миру потребуется производить больше продовольствия. Исследователи уже давно изучают способы помочь растениям противостоять экологическим стрессорам, таким как вредители и засуха, как с помощью традиционной селекции, так и генетической модификации. Но все еще остается много вопросов о том, как именно растения взаимодействуют с окружающей средой и как ученые могут модифицировать эти процессы, чтобы помочь им адаптироваться.
Исследователи из Института сетевой биологии в Германии и их коллеги, возможно, нашли способ помочь. В начале июля они опубликовали исследование в журнале Nature, показавшее, что растения общаются с окружающей средой более сложными способами, чем считалось ранее. Исследование показало, что сеть обработки информации, управляемая гормонами, в одном роде растений осуществляется более чем 2000 белковыми взаимодействиями, сотни из которых ранее не были обнаружены. ” Нам понадобится вторая зеленая революция", - говорит Шелли Лумба, биолог растений из Университета Торонто, который не участвовал в исследовании. - Это были бы хорошие зацепки для проверки.”
В отличие от животных, которые завершают большую часть своего развития в утробе матери, растения остаются относительно гибкими на протяжении всей своей жизни. Сенсорные белки обнаруживают изменение условий окружающей среды, а затем используют гормоны, чтобы заставить его соответствующим образом изменить свое поведение или физиологию. Многие пути хорошо изучены: гормон ABA, например, говорит растениям закрывать свои поры и сохранять воду во время засухи, направляя ряд специфических белков для выполнения клеточных функций.
Гибкость этих гормональных сетей-это именно то, что сделало их настолько трудными для генетической модификации или инженерии, чтобы справиться с изменением климата. Большинство генетически модифицированных культур, представленных на рынке, производятся путем добавления гена бактерий в геном растения, что позволяет ему противостоять, например, гербициду или инсектициду. И хотя альтернативный вариант, манипулирование белками, относительно прост с помощью новых методов редактирования генома, “вы обычно портите растения”,-говорит Эйлон Шани, биолог растений из Тель-Авивского университета.
Чтобы создать культуры, устойчивые к стрессорам окружающей среды, исследователи опирались на традиционные методы селекции, используя генетическое разнообразие, которое существует среди них естественным образом. Они сделали это, чтобы создать сорта пшеницы, которые производят высокий уровень ABA, например. Этот вид селекции становится все более трудным в последние годы, говорит Мэтью Хадсон, специалист по растениеводству в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн. Во-первых, многие страны начали запрещать экспорт семян, обладающих полезными свойствами, чтобы сохранить их как природный ресурс.
Новые технологии, включая редактирование генома CRISPR / Cas9, могут сделать генетическую модификацию относительно простой. Однако ученые, которые надеются изменить гены растений, должны сначала узнать, что они ищут. Сосредоточение внимания на системах, а не на отдельных генах может оказаться полезным. Например, чтобы активировать свою защиту от насекомых, растениям, возможно, придется отключить другой гормональный путь, такой как рост или сохранение воды.
” Есть много компромиссов, которые являются фундаментальными для физиологии растений, и мы знаем, что они есть, но они не характеризуются количественным образом",-говорит Хадсон. Такие исследования, как исследование природы, говорит он, могут помочь ученым разработать вычислительные модели, которые покажут, как понять и настроить пути с помощью генной инженерии. ” Это, очевидно, новое поколение исследований", - говорит Хадсон.
Сделать растения более гибкими может оказаться важнее, чем наделить их специфическими чертами. "Гормоны позволяют реакции происходить", - говорит Люмба. - Они не инструктируют, они позволяют читать стимуляцию окружающей среды.”
Люмба изучает гормональные механизмы, которые помогают некоторым растениям быстро заселять районы, разрушенные лесными пожарами. Когда эти” последователи огня " чувствуют химические вещества, выделяемые из сожженных материалов, они выделяют гормон, называемый ауксином, который вызывает прорастание семян. Тем не менее, поскольку все известные растения содержат ауксин, а также чувствительные к дыму белки, остается неясным, почему большинство из них на самом деле не реагируют. Картирование обширных путей между датчиком и реакцией, говорит она, может стать шагом к восстановлению экосистем после пожара.
Создание культур, которые быстро адаптируются к окружающей среде, будет по-прежнему оставаться масштабной задачей. Большинство исследователей растений, изучающих сигнальные механизмы, сосредоточились на Арабидопсисе, роде мелких цветущих трав, связанных с капустой и горчицей. Лабораторная модель арабидопсиса была чрезвычайно хорошо охарактеризована. Раскрытие всей сети белковых взаимодействий в таких культурах, как кукуруза или рис, говорит Хадсон, заняло бы годы и миллионы долларов.
Хотя исследователи работали над генетически модифицированными растениями, которые сопротивляются засухе или другим стрессорам, ни один из вариантов не близок к тому, чтобы быть коммерчески доступным. ” У нас есть трансгенные черты, которые мы можем добавить поверх [условно выведенных растений], но мы действительно не проектируем тонкие вещи, которые превращают растения в жизнеспособные культуры", - говорит Хадсон. Его группа и другие сотрудники из Университета Иллинойса работают над разработкой компьютерных алгоритмов для прогнозирования того, как модификация определенных генов с помощью инженерии повлияет на рост растения. Для медленно растущих организмов-в том числе ореховых деревьев, которым угрожает паразитический гриб,—такая система могла бы сэкономить много лет наблюдения и ожидания.
Так же плюсом является истинным для noncrop растений. Бингру Хуан, биолог растений из Университета Рутгерса, имеет генетически модифицированные гормональные сигнальные пути в травах, используемых для покрытия полей для гольфа и других применений. Она обнаружила, что увеличение количества гормонов, называемых цитокининами, и повышение чувствительности растений к изменению их уровня делают травы более устойчивыми к жаре и соленой почве. Хуан говорит, что практическая генная инженерия гормональных путей будет трудной, однако. “Когда вы меняете один гормон, меняются и другие", - добавляет она.
В конечном счете, выяснение того, как растения общаются со своим окружением и приспосабливаются к суровым условиям, может принести пользу поставкам пищи. “Мы не думаем, что мы умнее природы и умнее растений”, - говорит Шани. - Но мы могли бы помочь растениям адаптироваться быстрее, чем ждать еще миллион лет, пока эволюция снова сделает свое дело.”