Новое исследование, опубликованное биологами из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене, демонстрирует, что не существует простых или универсальных решений проблемы инженерных растений, которые позволили бы им справиться с проблемами, связанными с изменением климата.
Для растений изменение климата обещает одно: повышение уровня стресса. Ведь растения пускают корни. У них нет возможности переехать туда, где им подходит погода. Более широкие колебания температуры и повышение уровня засушливости во многих регионах мира уже усложняют их жизнь. Растения представляют собой очень сложные и чувствительные системы. Даже в зонах со стабильным климатом сегодня колебания уровня освещенности могут снизить темпы роста и урожайность. Например, у растений развились сложные клеточные механизмы, которые защищают их от вредного воздействия высокой интенсивности света на фотосинтез. В одном из таких фотозащитных процессов избыточная световая энергия рассеивается в виде тепла, прежде чем она может повредить фотосинтетический аппарат. Это снижает урожайность, но очень отвечает интересам растения.
Три фермента играют ключевую роль в этом процессе адаптации, которые для краткости обозначаются как V, P и Z. В статье, опубликованной в 2016 году, которая привлекла большое внимание, американская исследовательская группа сверхэкспрессировала гены этих трех белков в растениях табака, тем самым увеличив количество ферментов, вырабатываемых в листьях. Впоследствии они наблюдали в полевых условиях, что эти линии «ВПЗ» росли быстрее, чем контрольные растения с нормальным уровнем ферментов. Биологи LMU Антони Гарсия-Молина и Дарио Лейстер провели практически тот же эксперимент на модельном растении Arabidopsis thaliana (кресс-салат). Их выводы опубликованы в журнале Nature Plants.
Их результаты подтверждают, что, как и в случае с табаком, более высокие уровни V, P и Z снижают скорость фотосинтеза, позволяя растениям быстрее адаптироваться (фактически, даже быстрее, чем табак) к колебаниям уровня освещенности.. Однако важно отметить, что линии Arabidopsis VPZ не росли быстрее, чем контрольные растения. Напротив, сверхэкспрессия трех ферментов приводила к замедлению роста. «Это ясно показывает, что выращивать растения, которые лучше адаптированы, не так просто, как уверенно предполагают некоторые исследовательские группы», - отмечает Лейстер. «На самом деле более высокие уровни фотозащиты могут фактически мешать работе других механизмов, важных для роста растений».
Для Лейстера эти данные, по сути, демонстрируют, что целенаправленная адаптация растений для облегчения успешной адаптации к изменяющимся климатическим условиям, вероятно, является очень сложной задачей. Они, безусловно, показывают, что нельзя всегда ожидать повышения устойчивости к высыханию или оптимизации урожайности при колебаниях уровня освещенности, просто регулируя уровни нескольких белков. «Физиологические процессы в растениях тесно взаимосвязаны. Это делает невозможным предсказать последствия щелчка этого переключателя или затягивания этого винта», - говорит он. Это объясняет, почему он и его коллеги подходят к проблеме целенаправленной адаптации с точки зрения системной биологии, которая придерживается «холистического» взгляда, как он это называет. Например, усилия по увеличению урожая или биомассы за счет повышения эффективности фотосинтеза должны также гарантировать, что дополнительная доступная энергия будет фактически направлена на усиление роста. В принципе, повышение эффективности фотосинтеза должно приводить к захвату большего количества энергии и более высокому уровню метаболитов. Но эта дополнительная энергия и обилие химических соединений должны быть использованы с пользой. В отсутствие какой-либо «добавочной стоимости» повышенная скорость фотосинтеза может оказаться вредной для растений.
Анализ подобных сложных взаимоотношений является смыслом существования Трансрегионального центра совместных исследований TR175, главным координатором которого является Лейстер. Ученые, участвующие в проекте, стремятся понять, как растения реагируют на биотические и абиотические факторы окружающей среды, такие как засуха, уровень освещенности и температура, анализируя их влияние на концентрацию всех поддающихся измерению метаболитов, транскриптов и белков в растительных клетках. С помощью этих данных они надеются определить ключевые компоненты, которые позволяют растениям справляться с различными условиями. В случае с культурными растениями, которые необходимы для питания человека, необходимо также принимать во внимание механизмы, лежащие в основе компромиссов между скоростью роста, увеличением биомассы и урожайностью. «В контексте изменения климата идея состоит в том, чтобы помочь растениям адаптироваться к изменяющимся условиям путем внесения целевых генетических изменений, которые позволяют им справляться с измененными параметрами окружающей среды», - объясняет Лейстер. Исследователи называют эту стратегию «вспомогательной эволюцией». «Чтобы иметь реальный шанс найти устойчивые решения, мы должны принять системный подход к активной адаптации растений к изменяющимся условиям окружающей среды», - говорит он. В этом отношении уже достигнут некоторый прогресс у некоторых видов водорослей, имеющих очень короткое время генерации, что позволяет быстро обнаруживать случаи успешной адаптации. Такие системы затем могут служить источниками потенциально полезных генетических мутаций, которые могут быть введены в зеленые растения.