Растения используют инженерные принципы, чтобы пробиться через твёрдую почву.

от

Уплотнение почвы: глобальная проблема

Во всём мире уплотнение почвы становится всё более серьёзной проблемой. Тяжёлая техника в современном сельском хозяйстве сжимает почву до такой степени, что сельскохозяйственным культурам трудно расти. Во многих регионах проблема усугубляется засухой, связанной с изменением климата.

Как растения решают проблему уплотнения почвы

Однако растения могут частично решить эту проблему — с нашей помощью. Известно, что, когда почва становится плотной и её трудно пробиться, растения могут утолщать свои корни. До сих пор оставалось неясным, как они это делают, помимо того, что ключевую роль играет растительный гормон этилен.

Исследователи из Университета Копенгагена, Шанхайского университета Цзяо Тонг, Ноттингемского университета и их партнёры выяснили механизм. Результаты были опубликованы в журнале Nature.

«Поскольку мы теперь понимаем, как растения «настраивают» свои корни при столкновении с уплотнённой почвой, мы можем научить их делать это более эффективно», — говорит Стаффан Перссон, профессор Университета Копенгагена и старший автор исследования.

Механизм адаптации корней растений

Команда обнаружила, что, когда почва уплотнена и вокруг корня накапливается этилен, гормон активирует ген под названием OsARF1. Этот ген снижает выработку целлюлозы в определённых клетках корня, делая средний слой корня тоньше, мягче и гибче. Это позволяет клеткам набухать, а корню — расширяться. В то же время самый внешний слой корня (эпидермис) становится толще и жёстче.

«Другими словами, корень меняет свою структуру в соответствии с основным инженерным принципом: чем больше диаметр трубы и чем прочнее её внешняя стенка, тем лучше она может противостоять изгибу при вдавливании в плотный материал», — объясняет Бипин Пандей, старший автор и доцент Ноттингемского университета.

Сочетание набухания корня и усиленного внешнего слоя позволяет корню действовать как своего рода биологический клин, проталкиваясь через почву.

«Удивительно видеть, как растения используют механические концепции, знакомые из строительства и проектирования, для решения биологических задач», — говорит Перссон.

Как усилить механизм

Исследование также показывает, как этот механизм можно усилить: «Наши результаты показывают, что, увеличивая уровень специфического белка — фактора транскрипции, корень становится лучше приспособленным для проникновения в уплотнённую почву. С этими новыми знаниями мы можем начать перепроектировать архитектуру корней, чтобы более эффективно справляться с уплотнёнными почвами. Это открывает новые возможности в селекции сельскохозяйственных культур», — говорит первый автор Цзяо Чжан, постдок в Шанхайском университете Цзяо Тонг.

Хотя эксперименты проводились на рисе, исследователи считают, что механизм применим ко многим видам растений. Части этого механизма также были обнаружены у Arabidopsis, которая эволюционно далека от риса.

«Наши результаты могут помочь в разработке сельскохозяйственных культур, которые лучше приспособлены для роста в почвах, уплотнённых сельскохозяйственной техникой или засухой, связанной с климатом. Это будет иметь решающее значение для будущего устойчивого сельского хозяйства», — говорит профессор и старший автор Ваньци Лян из Шанхайского университета Цзяо Тонг.

Работа также открывает новые возможности в селекции растений в целом. Команда выявила множество дополнительных факторов транскрипции, которые, по-видимому, являются ключевыми регуляторами производства целлюлозы — с далеко идущими последствиями для формы и структуры растений. Например, может стать возможным создавать растения с разными формами, что может принести пользу определённым культурам.

«Обнаруженные нами факторы транскрипции — это золотая жила для биологии клеточных стенок. Здесь более чем достаточно, чтобы занять меня до выхода на пенсию», — заключает Перссон.

Исследование является результатом сотрудничества между исследователями из Китая, Великобритании, Японии, Аргентины и Дании, основанном на лабораторных экспериментах, генетическом анализе и передовой микроскопии.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте