В условиях потепления и изменения климата Земли устойчивые методы ведения сельского хозяйства имеют решающее значение для обеспечения продовольствием быстро растущего населения. По мнению исследователей, именно точная биоинженерия внесет самый большой вклад в то, как сельхозкультуры адаптируются к засухе и другим последствиям потепления климата.
Дорожная карта того, как новые методы и подходы в геномике и биологии развития растений могут обеспечить это, проиллюстрирована в недавней серии статей Тревора Нолана, специалиста по биологии развития растений и доцента кафедры биологии и биологической инженерии в Калифорнийском технологическом институте.
В новой обзорной статье, опубликованной в журнале Science, излагается путь к улучшению и совершенствованию сельскохозяйственных культур с помощью инструментов фундаментальной биологии для понимания внутренних процессов в растительных клетках. Статья написана Ноланом в соавторстве с исследователями из Центра биологии систем растений VIB при Гентском университете (Бельгия).
Хотя в настоящее время существуют общие инструменты для модификации сельскохозяйственных культур, Нолан и его коллеги предлагают более точный подход. Они предполагают, что тонкие изменения экспрессии генов растений могут, например, способствовать более глубокому росту корней во время засухи, повысить эффективность усвоения воды и питательных веществ или изменить структуру листьев для лучшего улавливания света в условиях плотной растительности.
«Мы хотим иметь возможность регулировать рост растений с хирургической точностью, без побочных эффектов для остальных частей растения. Чтобы добиться этого, нам необходимо точно понимать контекст происходящего с растением на клеточном уровне», — говорит Нолан.
Ранее в этом году Нолан и его коллеги сообщили в журнале Cell, что определенный класс фитогормонов, брассиностероидов, управляет ростом корней посредством динамической сети клеточно-специфической обратной связи.
Брассиностероиды необходимы для развития растений, регулируя деление и растяжение клеток. Однако при широком применении на растениях они могут оказывать противоположный эффект, замедляя рост, нарушая тонкий баланс гормональной сигнализации между клетками. Нолан объясняет, что брассиностероиды оказывают на растения своего рода «эффект Златовласки»: рост происходит оптимально только при их не слишком большом и не слишком малом количестве, в нужном месте и в нужное время.
Команда обнаружила это, используя передовые методы для наблюдения за экспрессией генов в отдельных клетках модельного лабораторного растения Arabidopsis thaliana. Хотя в геноме каждой клетки хранится одинаковая генетическая информация, некоторые гены можно включать и выключать, подобно набору переключателей яркости света, чтобы наделить клетку различными функциями.
Различные паттерны экспрессии генов могут, например, сигнализировать клетке о необходимости деления, выработки большего количества гормонов или даже самоуничтожения. Такие методы, как транскриптомика отдельных клеток, позволяют одновременно измерять экспрессию генов во многих клетках.
Лаборатория Нолана является пионером в области интеграции технологий визуализации отдельных клеток, пространственных изображений и изображений в режиме реального времени для визуализации развития растений с беспрецедентным разрешением. Используя специально разработанный вертикальный конфокальный микроскоп и системы визуализации всего корня, команда теперь может отслеживать развитие отдельных клеток — от их зарождения в качестве стволовых клеток в корневой меристеме до дифференциации в специализированные ткани.
Объединяя эти наборы данных живой визуализации с транскриптомными картами отдельных клеток и пространственными картами, лаборатория может отслеживать, как экспрессия генов и гормональная сигнализация изменяются во времени и пространстве, показывая, как сигналы, такие как брассиностероидные гормоны, управляют ростом, развитием и реакциями на стресс.
Теперь Нолан подчеркивает, что эти методы следует применять для изучения аналогичных механизмов устойчивости сельскохозяйственных культур к гормонам и стрессу.
«Наша работа показывает, что растения координируют свой рост с удивительной пространственной точностью. Как только мы поймём эти принципы, мы сможем начать применять их к таким культурам, как рис, кукуруза и сорго, чтобы сделать сельское хозяйство более устойчивым к жаре и засухе», — говорит Нолан.
Источник: California Institute of Technology. Автор: Лори Даджосе.
Статья “Unlocking the potential of brassinosteroids: A path to precision plant engineering” опубликована в Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu9798
На фото вы видите отдельные клетки, из которых состоит корень. Автор фото: Ирен Ляо.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.