Долина Смерти: растение даёт план создания жароустойчивых сельскохозяйственных культур

от

В Долине Смерти в Калифорнии, где летние температуры регулярно поднимаются выше 120 градусов по Фаренгейту, жизнь кажется почти невозможной. Однако среди растрескавшейся земли и ослепительного солнечного света одно местное растение не просто выживает — оно процветает.

Это растение, Tidestromia oblongifolia, помогло учёным из Мичиганского государственного университета раскрыть секрет выживания в экстремальной жаре. Они обнаружили потенциальный план создания сельскохозяйственных культур, способных адаптироваться к меняющемуся климату.

В статье, опубликованной в журнале Current Biology, профессор-исследователь Фонда исследований Seung Yon «Sue» Rhee и специалист по исследованиям Karine Prado сообщают, что T. oblongifolia растёт быстрее в условиях летней жары в Долине Смерти, быстро адаптируя свою фотосинтетическую систему для противостояния высоким температурам.

Для Прадо исследование началось с простого, но острого вопроса: как это растение остаётся зелёным и энергичным там, где большинство других растений увядает за считанные часы?

«Когда мы впервые принесли эти семена в лабораторию, мы боролись просто за то, чтобы заставить их расти, — сказала Прадо. — Но как только нам удалось воссоздать в наших камерах условия, подобные Долине Смерти, они активизировались».

Работая с коллегами из лаборатории Rhee в Институте устойчивости растений Мичиганского государственного университета, Прадо использовала специально созданные камеры для выращивания растений, чтобы воссоздать интенсивный свет и перепады температуры, характерные для лета в Долине Смерти.

То, что произошло дальше, ошеломило их: T. oblongifolia утроила свою биомассу всего за 10 дней. В то же время близкородственные виды, часто восхваляемые за их жароустойчивость, вообще перестали расти.

Уже через два дня воздействия экстремальной жары растение повысило свою «зону комфорта» для фотосинтеза, что позволило ему продолжать производство энергии. Через две недели оптимальная температура фотосинтеза достигла 45 градусов Цельсия (113 градусов по Фаренгейту), что выше, чем у любых известных сельскохозяйственных культур.

«Это самое жароустойчивое растение, когда-либо зарегистрированное, — сказала Rhee. — Понимание того, как T. oblongifolia адаптируется к жаре, даёт нам новые стратегии, помогающие сельскохозяйственным культурам адаптироваться к потеплению планеты».

Используя физиологические измерения, визуализацию в реальном времени и геномный анализ, исследователи обнаружили, что удивительная устойчивость T. oblongifolia обусловлена согласованными изменениями на нескольких уровнях биологии.

Под воздействием жары, подобной условиям Долины Смерти, митохондрии растения (его энергетические органеллы) перемещаются рядом с хлоропластами, где происходит фотосинтез. Сами хлоропласты меняют форму, образуя своеобразные «чашевидные» структуры, ранее не наблюдавшиеся у высших растений. Это может помочь более эффективно улавливать и перерабатывать углекислый газ, стабилизируя производство энергии в условиях стресса.

Между тем тысячи генов меняют свою активность в течение 24 часов. Многие из них участвуют в защите белков, мембран и фотосинтетического механизма от теплового повреждения. Растение также увеличивает производство ключевого фермента, называемого Rubisco activase, который может помочь поддерживать бесперебойную работу фотосинтеза при высоких температурах.

Поскольку к концу века прогнозируется повышение глобальной температуры до 5 градусов Цельсия, волны жары уже снижают урожайность основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, кукуруза и соевые бобы. А поскольку население мира продолжает расти, учёные ищут способы увеличить производство продуктов питания.

«T. oblongifolia показывает нам, что растения способны адаптироваться к экстремальным температурам, — сказала Rhee. — Если мы научимся воспроизводить эти механизмы в сельскохозяйственных культурах, это может изменить сельское хозяйство в более жарком мире».

На протяжении десятилетий большинство исследований в области биологии растений было сосредоточено на модельных видах, которые легко выращивать, таких как Arabidopsis или сельскохозяйственные культуры, например, рис и кукуруза. Но Rhee утверждает, что экстремально устойчивые растения, такие как T. oblongifolia, представляют собой новое направление для повышения устойчивости.

«Пустынные растения потратили миллионы лет на решение проблем, с которыми мы только начинаем сталкиваться, — сказала она. — У нас наконец-то появились инструменты, такие как геномика, визуализация с высоким разрешением и системная биология, чтобы учиться у них. Сейчас нам нужна более широкая поддержка для проведения подобных исследований».

Лаборатория Rhee уже применяет эти идеи на практике, изучая, как гены и клеточные структуры, обеспечивающие T. oblongifolia жароустойчивость, могут быть использованы для повышения устойчивости основных сельскохозяйственных культур.

«Это исследование не просто рассказывает нам о том, как одно пустынное растение выдерживает жару, — сказала Прадо. — Оно даёт нам дорожную карту того, как все растения могут адаптироваться к изменению климата».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте