Ученые Калифорнийского университета обнаружили генетические данные, которые помогут продовольственным культурам, таким как помидоры и рис, пережить более длительные и интенсивные периоды засухи на нашей нагревающейся планете.
В течение последнего десятилетия исследовательская группа стремилась создать молекулярный атлас корней сельскохозяйственных культур, в котором растения впервые обнаруживают последствия засухи и других экологических угроз. При этом они обнаружили гены, которые ученые могут использовать для защиты растений от этих стрессов. Их работа опубликована 20 мая в журнале Ячейка, достигли высокой степени понимания функций корней, поскольку объединили генетические данные из разных клеток корней томатов, выращенных как в помещении, так и на открытом воздухе.
«Часто исследователи проводят лабораторные и тепличные эксперименты, но фермеры выращивают растения в поле, и эти данные также учитывают полевые образцы», — сказала Нилима Синха, профессор биологии растений Калифорнийского университета в Дэвисе и соавтор статьи. Данные позволили получить информацию о генах, которые заставляют растение производить три ключевые вещи.
Ксилема — это полые трубчатые сосуды, которые транспортируют воду и питательные вещества от корней к побегам. Без транспорта в ксилеме растение не может создавать себе пищу посредством фотосинтеза. «Ксилемы очень важны для защиты растений от засухи, а также от соли и других стрессов», — говорит ведущий автор исследования Шивон Брэйди, профессор биологии растений в Калифорнийском университете в Дэвисе.
В свою очередь, без транспорта минеральных веществ растений в ксилеме люди и другие животные имели бы меньше витаминов и питательных веществ, необходимых для нашего выживания. Помимо некоторых типичных игроков, необходимых для формирования ксилемы, были обнаружены новые и удивительные гены.
Второй ключевой набор генов — это те, которые направляют внешний слой корня на выработку лигнина и суберина. Суберин является ключевым веществом пробки и окружает клетки растений толстым слоем, удерживая воду во время засухи. Такие культуры, как помидоры и рис, содержат суберин в корнях. Внешние клетки плодов яблони окружены суберином. Где бы это ни происходило, оно не дает растению терять воду. Лигнин также обеспечивает водонепроницаемость клеток и обеспечивает механическую поддержку.
«Суберин и лигнин являются естественными формами защиты от засухи, и теперь, когда гены, которые кодируют их в этом очень специфическом слое клеток, идентифицированы, эти соединения можно усилить», — сказала соавтор исследования Джулия Бэйли-Серрес, Калифорнийский университет. Риверсайдский профессор генетики. «Я очень рад, что мы узнали так много о генах, регулирующих этот барьерный слой влаги. Это очень важно для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе», — сказала она.
Гены, кодирующие корневую меристему растения, также оказались удивительно схожими между томатом, рисом и арабидопсисом, модельным растением, похожим на сорняк. Меристема — это растущий кончик каждого корня и источник всех клеток, составляющих корень.
«Это область, которая образует остальную часть корня и служит нишей для стволовых клеток», — сказал Бейли-Серрес. «Это определяет свойства самих корней, например, насколько они велики. Знание этого может помочь нам развить лучшую корневую систему».
Брейди объяснил, что когда фермеры интересуются определенной культурой, они выбирают растения, у которых есть видимые особенности, например, более крупные и привлекательные плоды. Гораздо сложнее селекционерам отобрать растения со свойствами, которые они не видят под землей.
«Скрытая половина растения, находящаяся под землей, имеет решающее значение для селекционеров, если они хотят успешно вырастить растение», — сказал Брейди. «Возможность модифицировать меристему корней растений поможет нам создавать культуры с более желательными свойствами».
Хотя в этом исследовании были проанализированы только три растения, команда считает, что результаты могут быть применены более широко. «Томаты и рис разделены более чем 125 миллионами лет эволюции, но мы все еще видим сходство между генами, которые контролируют ключевые характеристики», — сказал Бейли-Серрес. «Вполне вероятно, что эти сходства справедливы и для других культур».