Растения отдают приоритет иммунитету перед ростом при восстановлении после засухи

от

Растения стремятся к росту, для которого необходимы солнечный свет, питательные вещества и вода. Если хотя бы одно из этих условий отсутствует, например, вода во время засухи, рост останавливается. Можно было бы подумать, что после окончания засухи растение сразу же начнёт активно расти. Однако его приоритеты меняются.

Биологи из Института Солка использовали передовые методы одноклеточной и пространственной транскриптомики, чтобы изучить, как небольшое цветущее растение под названием Arabidopsis thaliana восстанавливается после засухи. Они обнаружили, что во время этого периода восстановления иммунитет становится приоритетом номер один для растения, поскольку наблюдали, как быстро активируются гены, отвечающие за иммунитет, по всему листу Arabidopsis.

Этот усиленный иммунный ответ, получивший название «иммунитет, индуцированный восстановлением после засухи» (DRII), также наблюдался у диких и культивируемых томатов, что позволяет предположить, что приоритет иммунитета сохраняется в ходе эволюции и, вероятно, имеет место у других важных сельскохозяйственных культур.

Основные выводы

Результаты исследования, опубликованные в Nature Communications 29 августа 2025 года, закладывают основу для выращивания более устойчивых культур и защиты мировых продовольственных ресурсов в будущем.

«Засуха представляет собой серьёзное испытание для растений, но менее понятно, как они восстанавливаются после возвращения воды», — говорит старший автор Джозеф Эккер, профессор, председатель Международного совета Солка по генетике и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Мы обнаружили, что вместо ускорения роста для компенсации потерянного времени Arabidopsis быстро активирует скоординированный иммунный ответ».

Arabidopsis как модельное растение

Arabidopsis уже полвека служит важным лабораторным объектом для биологов растений. Это растение быстро и легко выращивать, у него относительно простой геном по сравнению с другими растениями. Однако, что особенно важно, многие отдельные гены в геноме Arabidopsis присутствуют у многих видов растений, включая такие важные сельскохозяйственные культуры, как томаты, пшеница и рис.

Необходимость баланса

Одно из свойств, которое Arabidopsis разделяет со всеми растениями, — это потребность в воде. Маленькое растение всасывает воду через микроскопические поры на своей «коже», но эти маленькие поры также могут поставить растение под угрозу, поскольку они напрямую подвергают его уязвимые внутренности воздействию внешнего мира. Это заставляет растение находить баланс между поглощением воды и защитой от вредных вторжений из окружающей среды, таких как патогены.

Этот баланс становится ещё более сложным во время восстановления после засухи. Без воды растение закрывает поры и входит в состояние стресса, останавливая свой рост и экономя запасы. Когда вода возвращается, поры быстро открываются, чтобы утолить жажду растения, вновь подвергая его внезапной опасности внешнего мира.

«Мы знаем многое о том, что происходит в растениях во время засухи, но почти ничего не знаем о том, что происходит в этот критический период восстановления», — говорит первый автор Натанелла Иллуз-Элияз, постдокторант в лаборатории Эккера. «Этот период восстановления невероятно генетически активен и сложен, поскольку мы уже обнаружили процессы, о которых мы даже не подозревали — или даже не предполагали, что они будут частью восстановления».

Исследователи взяли растения Arabidopsis, которые находились в состоянии засухи, и вновь ввели им воду. Они изучали листья растений на предмет изменений в экспрессии генов, начиная с 15 минут и постепенно доводя до 260 минут. Этот быстрый мониторинг отличает исследование, поскольку биологи растений часто не собирают данные так скоро после регидратации.

«Что действительно невероятно, — добавляет Иллуз-Элияз, — так это то, что мы бы полностью упустили это открытие, если бы не решили собирать данные в эти ранние моменты времени».

Более старые методы требовали от учёных взять лист, измельчить его и измерить общие закономерности экспрессии генов. Одноклеточная транскриптомика позволяет учёным фиксировать экспрессию генов в клеточном контексте, что, в свою очередь, более точно отражает клеточную динамику в тканях растений. В дополнение к этой впечатляющей точности на уровне отдельных клеток пространственная транскриптомика анализирует эти отдельные клетки в физическом контексте неповреждённого растения.

Всего через 15 минут после повторного полива команда наблюдала, как спящие гены пробуждаются к жизни. Модели экспрессии значительно изменились во многих клетках листа, активируя ген за геном, пока тысячи новых генов не стали активными. Эти многочисленные гены запустили иммунный ответ, который исследователи называют «иммунитет, индуцированный восстановлением после засухи» (DRII).

В уязвимый период регидратации DRII защищал Arabidopsis от патогенов. После наблюдения DRII у Arabidopsis команда задалась вопросом, испытывают ли дикие и выращиваемые томаты DRII. Оба типа томатов действительно испытали DRII, который, как и у Arabidopsis, повысил их устойчивость к патогенам.

Остаётся ещё многое понять об этом быстром иммунном ответе. Для начала процесс регидратации начинается в корнях, так как же сигнал так быстро передаётся от корней к листу, вызывая изменения в экспрессии генов всего за 15 минут? И что это за сигнал?

Исследователи также считают, что результаты могут помочь изменить взгляд научного сообщества на стресс растений. Возможно, растения не просто сосредотачиваются на выживании и росте, но и на подготовке к тому, что произойдёт после возвращения воды. И, возможно, соотношение выживания и долголетия зависит от системы, которая ощущает серьёзность стресса.

«Наши результаты показывают, что восстановление после засухи — это не пассивный процесс, а высокодинамичное перепрограммирование иммунной системы растения», — говорит Эккер. «Определяя ранние генетические события, которые происходят в течение нескольких минут после регидратации, мы можем начать раскрывать молекулярные сигналы, которые координируют восстановление от стресса, и изучить, как эти механизмы можно использовать для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур».

Другие авторы включают Цзинтин Ю, Джозефа Свифта, Кэтрин Ланде, Брюса Джоу, Лию Партида-Гарсию, Трэвиса Ли, Розу Гомез Кастанон, Уильяма Оуэнса, Чинну Боуман, Эмму Осгуд, Джозефа Нери и Тацую Нобири из Солка; и Зак Хай Туанг, Ади Яаран, Йотам Зайт и Саул Бурдман из Еврейского университета в Иерусалиме.

Предоставлено Институтом Солка.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте