Учёные совершили новое открытие, которое может помочь защитить сельскохозяйственное производство и снизить смертность растений из-за засухи, на долю которой приходится четверть потерь урожая в США.
Вода необходима для роста, размножения и выживания растений. Засуха вызывает у растений сильный стресс и может значительно сократить годовой объём производства или привести к гибели целых посевов. Она также увеличивает расходы фермеров, которым приходится вкладывать средства в орошение, чтобы сохранить урожай. Эти последствия и затраты приводят к сокращению продовольственных запасов и повышению цен на продукты питания для потребителей.
После многолетних исследований механизмов и последствий засухи у растений учёные из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США (ARS) и Университета штата Колорадо (CSU) выяснили, как растения погибают во время засухи и как можно обратить вспять некоторые из её последствий. Они также обнаружили вид растений (родственник дикого проса), обладающий удивительной устойчивостью к экстремальной засухе, демонстрирующий способность «воскресать» после острых эпизодов засухи. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Во время сильного засушливого стресса почва и атмосфера становятся настолько сухими, что жидкая вода внутри растения превращается в водяной пар. Этот процесс, известный как образование эмболий, приводит к закупорке пузырьками газа в проводящих воду тканях растения. Эти закупорки эмболий снижают транспортировку воды и минералов из почвы в листья, нарушая основные процессы роста, размножения и выживания растений.
Образование эмболий было плохо изучено у растений, поскольку эмболии невозможно было увидеть с помощью приборов и методик, использовавшихся в прошлых исследованиях. Команда учёных из ARS и CSU использовала инновационный метод, который включал сканирование целых растений с помощью лабораторного рентгеновского аппарата. Аппарат позволил им увидеть движение воды через сегменты растения, включая стебли, корни и листья, что позволило учёным обнаружить эти газовые пузырьки, или эмболии, по всему растению.
«Мы обнаружили, что родственник дикого проса способен обращать вспять образование эмболий в проводящих воду тканях», — сказал Шон Глисон, физиолог растений-исследователей ARS в отделе управления водными ресурсами и системных исследований в Колорадо. «Мы называем это растение пшеницей возрождения, потому что, если растение полить даже после того, как почти 100% тканей подверглось эмболизации, растение способно заново заполнить эти эмболии и восстановиться».
«Это исследование впервые предоставляет прямые доказательства полного и функционального «заполнения» ксилемы стебля после сильного засушливого стресса. Этот прорыв опровергает устоявшиеся представления о восстановлении гидравлической системы растений и имеет важное значение для устойчивости сельскохозяйственных культур в условиях ограниченного водоснабжения», — пояснил Трой Очелтри, соавтор и сотрудник отдела управления лесными угодьями и пастбищами Университета штата Колорадо.
«Результаты показывают, что даже если растения подвергаются сильному стрессу, они могут восстановиться в том же году засухи и снова начать расти», — сказал он. «Эта способность влияет на урожайность сельскохозяйственных культур и количество кормов, доступных для скота».
Исследователи стремятся использовать новые технологии для передачи устойчивости, обнаруженной у этого вида проса, другим сельскохозяйственным культурам, таким как пшеница, кукуруза и рис, тем самым защищая сельское хозяйство США.