Некоторые растения могут месяцами обходиться без воды только для того, чтобы снова стать зелеными после кратковременного ливня. Недавнее исследование университетов Бонна и Мичигана показывает, что это не связано с «чудо-геном». Скорее, эта способность является следствием целой сети генов, почти все из которых присутствуют и у более уязвимых сортов. Результаты уже появились в сети Журнал растений.
В своем исследовании ученые внимательно изучили вид, который уже давно изучается в Боннском университете — воскресающее растение Craterostigma plantagineum. Он носит свое название совершенно справедливо: во время засухи можно подумать, что он мертв. Но даже после нескольких месяцев засухи достаточно немного воды, чтобы оживить его. «В нашем институте мы уже много лет изучаем, как растения это делают», — объясняет профессор доктор Доротея Бартельс из Института молекулярной физиологии и биотехнологии растений (ИМБИО) Боннского университета.
В ее интересы входит гены которые отвечают за засухоустойчивость. Становилось все более очевидным, что эта способность не является результатом действия одного «чудо-гена». Вместо этого задействовано очень много генов, большинство из которых также обнаружено у видов, которые не так хорошо переносят засуху.
Растение имеет восемь копий каждой хромосомы.
В текущем исследовании команда Бартеля вместе с исследователями из Мичиганского университета (США) проанализировала полный геном Craterostigma plantagineum. И это устроено довольно сложно: в то время как у большинства животных есть две копии каждой хромосомы — одна от матери, одна от отца, у Кратеростигмы их восемь. Такой «восьмеричный» геном еще называют октоплоидным. Мы, люди, напротив, диплоидны.
«Такое размножение генетической информации можно наблюдать во многих растений которые развивались под экстремальные условия— говорит Бартельс. Но почему? Вероятная причина: если ген присутствует в восьми копиях вместо двух, его в принципе можно прочитать в четыре раза быстрее. Таким образом, октоплоидный геном может обеспечить очень быстрое производство больших количеств необходимого белка. Эта способность также представляется важной для развития засухоустойчивость.
У Кратеростигмы некоторые гены, связанные с большей устойчивостью к засухе, реплицируются еще больше. К ним относятся так называемые ELIP — аббревиатура означает «ранние индуцируемые светом белки», поскольку они быстро включаются под действием света и защищают от окислительного стресса. Они встречаются в большом количестве у всех засухоустойчивых видов.
«Кратеростигма имеет около 200 генов-ELIP, которые практически идентичны и расположены большими кластерами по десять или двадцать копий на разных хромосомах», — объясняет Бартельс. Таким образом, засухоустойчивые растения, по-видимому, могут использовать обширную сеть генов, которую они могут быстро активировать в случае засухи.
Чувствительные к засухе виды обычно имеют одни и те же гены, хотя и в меньшем количестве копий. Это также неудивительно: семена и пыльца большинства растений часто все еще способны прорастать после длительного периода без воды. Значит, у них тоже есть генетическая программа защиты от засухи. «Однако эта программа обычно отключается при прорастании и не может быть повторно активирована впоследствии», — объясняет ботаник. «У воскрешающих растений, напротив, он остается активным».
Большинство видов «способны» выдерживать засуху
Таким образом, устойчивость к засухе — это то, что «способно» подавляющее большинство растений. Гены, наделяющие эту способность, вероятно, возникли очень рано в ходе эволюции. Однако эти сети более эффективны у засухоустойчивых видов и, кроме того, неактивны только на определенных стадиях жизненного цикла.
Тем не менее, не каждая клетка Craterostigma plantagineum имеет одинаковую «программу засухи». Это показали исследователи из Дюссельдорфского университета, которые также принимали участие в исследовании. Например, во время высыхания в корнях активны разные гены сети засухи, чем в листьях. Этот вывод не является неожиданным: листьям, например, необходимо защищаться от разрушительного воздействия солнца. В этом им помогают, например, ЭЛИПы. При достаточной влажности растение образует фотосинтетические пигменты, хотя бы частично поглощающие радиацию. Эта естественная защита в значительной степени не работает во время засухи. Корням же, напротив, не придется беспокоиться о солнечных ожогах.
Исследование улучшает понимание того, почему некоторые вид так мало страдают от засухи. Таким образом, в долгосрочной перспективе это может способствовать выведению таких культур, как пшеница или кукуруза, которые лучше справляются с засуха. Во времена изменения климата они, вероятно, будут пользоваться большим спросом, чем когда-либо в будущем.