Растения борются за свою жизнь
Это 2050 год. Население мира увеличилось на 2,3 миллиарда до 9,9 миллиарда. Спрос на продукты питания вырос на 70-100 процентов, но потепление планеты, экстремальные погодные условия и сокращение пахотных земель угрожают продовольственной безопасности. К счастью, фермеры могут выращивать зерновые культуры более плотно, увеличивая урожайность с меньших участков доступной сельскохозяйственной земли.
Так плотно упаковывать урожай было невозможно три десятилетия назад. Это потому, что, несмотря на то, что растения выглядят послушными, на самом деле они гиперконкурентоспособны. Вырастите два растения слишком близко друг к другу, и они начнут конкурировать за такие ресурсы, как минералы, вода, питательные вещества и — как только они начнут затенять друг друга — солнечный свет. Без достаточного освещения растения быстро адаптируются благодаря так называемой реакции избегания тени (SAR). Они перераспределяют энергию на рост, пытаясь использовать солнечный свет, что приводит к замедлению роста корней и ускорению времени цветения.
Уллас Педмале, доцент лаборатории Колд-Спринг-Харбор, где его лаборатория изучает взаимодействие растений и окружающей среды.
Понимание SAR особенно важно, поскольку основные продовольственные культуры, такие как пшеница, кукуруза, картофель и помидоры, избегают тени. Но что, если бы был способ выращивать растения плотно, не жертвуя урожайностью? Изучая гены, участвующие в избегании тени, Педмале думает, что он может остановить состояние бедствия растения и, возможно, создать растения, которые могут получать доступ к солнечному свету, но не паниковать из-за раннего цветения и задержки роста корней, тем самым снижая урожай.
Педмале изучает, как растения воспринимают и изменяют свою архитектуру в ответ на свет. В частности, он изучает группу белков, называемых криптохромами, то, что он называет одним из глаз растения. Криптохромы, единственная группа рецепторов, распространенных среди животных и растений, чувствуют изменения в доступности синего света. Уменьшение синего или красного света с увеличением дальнего красного света указывает на то, что растение находится в тени, побуждая его включать гены, которые, среди прочего, замедляют рост корней. Понимание криптохромов и их взаимодействия с этими генами может стать важным аспектом опосредования этих реакций и ключом к выращиванию культур с более высокой плотностью.
Уже более 50 лет ученые изучают, как стебли и листья реагируют на нахождение в тени. Несколько лет назад Педмале, который изначально изучал надземную архитектуру растений, понял, что корни также являются важным аспектом SAR. Оказывается, когда побеги становятся выше, корни перестают расти. Корни не только поддерживают устойчивость растений, но и черпают питательные вещества из почвы. Кроме того, они являются источником пищи в таких культурах, как морковь и редис.
Органы растений делятся на источники и поглотители. Например, листья, основной функцией которых является фотосинтез, считаются органами-источниками: они обеспечивают и фиксируют углерод. Затем углерод распределяется по всему растению. Корни не способны фиксировать свой собственный углерод и являются органами поглощения. “Когда у растения достаточно ресурсов, оно может распределять ресурсы в орган хранения или поглощения”, - объясняет Кристиан Фанкхаузер, профессор биологии и медицины в Центре интегративной геномики Университета Лозанны. Однако, “если растение хочет вырастить более высокие стебли, чтобы захватить соседей, ему придется вкладывать в стебель больше ресурсов”.
Это, объясняет Педмале, становится порочным кругом, поскольку растениям нужна надлежащая корневая система для поддержки побега. “Один из последних аспектов, который мы изучаем, - это то, как побеги взаимодействуют с корнями, потому что корни находятся под землей”, - говорит он. Корни не видят солнечного света, но ясно, что побеги передают это сообщение корням. Исследователи хотят понять, что происходит, чтобы они могли блокировать передачу этого сигнала к корням, позволяя корням выполнять свою работу и, в свою очередь, позволяя побегам выполнять свои функции и приносить необходимый урожай, добавляет Педмале.
Педмале пытается выяснить, какие сигналы приводят к задержке роста корней. Его команда сравнила корни томатов и арабидопсиса — лабораторной крысы растений —саженцев, выращенных на свету, с менее развитыми корнями саженцев, выращенных в тени. Они обнаружили, что сотни генов, которые растения используют для реагирования на стресс, были включены у растений, выращенных в тени, в том числе десятки, которые кодируют белки, называемые WRKYs, и регулируют экспрессию генов. Чтобы подтвердить, что эти гены ответственны за низкорослые корни, они сконструировали растения таким образом, чтобы специфические гены WRKY оставались высокоактивными даже при полном солнечном свете. Они обнаружили, что корни были низкорослыми, похожими на растения, выращенные в тени.
Используя методы редактирования генов, такие как CRISPR / Cas9, исследователи могут прерывать или инактивировать ген, делая очень точное расщепление в геноме. Они также могут перепрограммировать экспрессию генов, применяя к растениям определенные химические вещества, например, стероид. Таким образом, они могут точно определить, что помогает тем, кто избегает тени, преодолеть свое дистресс-состояние, когда они чувствуют уменьшение синего и красного света. CRISPR, по сути, мало чем отличается от естественной эволюции — просто намного, намного быстрее. С помощью CRISPR ученые могут влиять на направление эволюции, улучшая хорошие черты и отсеивая те, которые не приносят пользы.
На данный момент Педмале не может оценить сроки, когда результаты этой работы могут быть расширены и использованы в сельском хозяйстве. “Это трудно определить, потому что [есть] так много вещей, которые, как я вижу, идут не так”, - говорит он. “Например, возможно, что ген, ответственный за реакцию избегания тени, также выполняет другие функции, например, защищает от патогенов”. Таким образом, выбивание этого гена может вызвать другие проблемы.
Педмале считает, что его исследование может иметь далеко идущие последствия: “Я чувствую, что любой прогресс, которого мы добьемся в этой области, может коснуться каждого на планете Земля, потому что каждый должен есть”.
