Март 2012 года был необычайно теплым. Посевы биомассы на Среднем Западе хорошо зарекомендовали себя и процветали. Но когда в середине апреля пришли поздние заморозки, все изменилось.
«Когда я вышел утром, я был просто потрясен», - говорит агроном Иллинойского университета Д. К. Ли. «Все травы покрылись инеем. К полудню мискантус и просо почернели. Единственное растение, которое осталось нетронутым, - это степной вьюнок».
Ли уже знал, что вьюнок прерий, Spartina pectinata, особенно устойчив к затоплению и солевому стрессу, но это открытие подтвердило его подозрения, что вьюнок также устойчив к заморозкам. Устойчивость к стрессовым факторам окружающей среды важна для биомассовых культур, поскольку их часто выращивают на так называемых маргинальных землях, где условия далеки от идеальных. Обладая устойчивостью к нескольким основным стрессовым факторам, кордграсс может выращиваться в большем количестве мест, чем другие многолетние энергетические культуры.
Следующим шагом Ли и его исследовательской группы было выявление молекулярных изменений, которые сохраняют вельвет бодрым в холодную погоду.
В отличие от солевого стресса и затопления, замерзание обычно происходит резко. Растение должно реагировать быстро. Чтобы выяснить, что происходит на молекулярном уровне, мы выращивали вьюнок в ростовой камере при температуре 25 градусов Цельсия, а затем резко перемещали их в другую камеру для выращивания с температурой -5 градусов.
«Мы наблюдали за экспрессией генов в течение пяти минут после воздействия низких температур. Мы обнаружили, что некоторые уникальные гены активируются сразу, а затем через 30 минут включаются другие», - говорит Ли.
Команда подозревает, что первоначальный генетический ответ защищает клетки от замерзания. Как правило, кристаллы льда образуются в пространстве вне клетки, когда растение подвергается воздействию низких температур. Как только эти «зародышевые кристаллы» формируются, они быстро растут и разрушают живые клетки. Чтобы избежать этого, кордграсс может быстро выкачивать ионы за пределы клетки, препятствуя образованию или росту кристаллов льда. Вторичные реакции, возникающие через 30 минут, могут быть связаны с восстановлением поврежденных клеток, что позволяет растению быстрее восстанавливаться.
Ли говорит, что результаты только царапают поверхность; необходимо сделать гораздо больше, чтобы полностью понять генетические механизмы, которые позволяют кордграссу избегать повреждения тканей при отрицательных температурах. Как только система будет полностью понята для кордграсса, есть надежда, что ее можно будет применить к другим культурам.
"Фермеры, выращивающие кукурузу, всегда стараются сажать весной пораньше", - говорит Ли. «Они думают, что если посадят раньше, то смогут получить выигрыш в урожайности. В настоящее время страхование урожая не покрывает кукурузу, если фермеры начнут сеять до определенной даты, потому что существует большой риск заморозков. Если мы узнаем больше о морозоустойчивости, мы сможем в конечном итоге применить ее к однолетним культурам и потенциально расширить площади выращивания таких культур, как кукуруза».
Статья «Транскриптомный анализ Spartina pectinata в ответ на стресс от замораживания» опубликована в PLOS One. Соавторы Ли из U of I и Сеульского национального университета.