Палящие температуры и пересохшая земля не подходят для растения сорго - эта злаковая культура, произрастающая в Африке и Австралии, останется зеленой и продуктивной даже в условиях, которые сделали бы другие растения коричневыми, ломкими и бесплодными.
Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, дает первое детальное представление о том, как растение осуществляет тонкий контроль над своим геномом - включает и выключает некоторые гены при первых признаках болезни. нехватка воды, и снова, когда вода возвращается, чтобы выжить, когда его окрестности становятся суровыми и засушливыми.
«Сорго действительно устойчиво к засухе, и если мы узнаем, как оно может быть настолько устойчивым к засухе, то, возможно, мы сможем помочь некоторым другим растениям выжить таким же образом», - сказала Пегги Лемо, специалист по распространению сельскохозяйственных культур. в Калифорнийском университете в Беркли, на кафедре биологии растений и микробов, и соавтор статьи.
Огромный набор данных, собранный из 400 образцов растений сорго, выращенных в течение 17 недель на открытых полях в Центральной долине Калифорнии, показывает, что растение модулирует экспрессию в общей сложности 10 727 генов, или более 40% его геном в ответ на стресс от засухи. Многие из этих изменений происходят в течение недели после того, как растение пропускает еженедельный полив, или после первого полива после нескольких недель без полива.
Данные были собраны в рамках проекта «Эпигенетический контроль за реакцией на засуху в сорго», или EPICON, пятилетнего исследования с бюджетом 12,3 млн долларов, посвященного тому, как растение сорго способно пережить стресс от засухи. Исследование EPICON проводится в рамках партнерства между исследователями Калифорнийского университета в Беркли и учеными из Калифорнийского университета в области сельского хозяйства и природных ресурсов (UC ANR), Объединенного института генома Министерства энергетики (JGI) и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) этого агентства.
Чтобы провести исследование, команда выращивала растения сорго в трех различных условиях полива - засуха перед цветением, засуха после цветения и контролируемое полив - в течение трех лет подряд в Центре сельскохозяйственных исследований и распространения знаний Калифорнийского университета в Кирни (KARE) в Парлье, Калифорния.
Каждую неделю в течение вегетационного периода члены исследовательской группы тщательно собирали образцы с листьев и корней выбранных растений и создавали в поле мобильную лабораторию, где они могли быстро замораживать образцы до тех пор, пока они не будут обработаны для анализа.. Затем исследователи из JGI секвенировали РНК в каждом образце, чтобы создать данные транскриптома, которые показывают, какие из десятков тысяч генов растения транскрибируются и используются для производства белков в определенное время.
Наконец, статистики под руководством профессора статистики Калифорнийского университета в Беркли и старшего автора исследования Элизабет Пурдом проанализировали огромный набор данных транскриптома, чтобы точно определить, как экспрессия генов менялась по мере роста растений и их воздействия на засуху или облегчения условий засухи.
«Мы очень тщательно контролировали условия полива и отбирали образцы на протяжении всего периода развития сорго, поэтому [исследователи] могли использовать эти данные не только для изучения стресса от засухи, но и для изучения развития растений», - Лемо. сказал.
Исследователи заметили несколько интересных закономерностей в данных транскриптома. Во-первых, они обнаружили, что набор генов, которые, как известно, помогают растению поддерживать симбиотические отношения с грибком, живущим вокруг его корней, отключается в условиях засухи. Этот набор генов демонстрировал наиболее резкие изменения активности генов, которые они наблюдали.
«Это было интересно, потому что это намекало на то, что растения отключали эти ассоциации [с грибами], когда они были сухими», - сказал Джон Фогель, штатный научный сотрудник JGI и соавтор статьи.«Это хорошо согласуется с результатами, которые показали, что количество этих грибов вокруг корней в то же время уменьшалось».
Во-вторых, они заметили, что определенные гены, которые, как известно, связаны с фотосинтезом, также выключались в ответ на засуху и включались во время восстановления после засухи. Хотя команда еще не знает, почему эти изменения могут помочь заводу, они дают интересные подсказки для последующих действий, сказал Фогель.
Данные в настоящей статье показывают транскриптом растения как в нормальных условиях, так и в условиях засухи в течение одного вегетационного периода. В будущем команда также планирует опубликовать данные за два других года эксперимента, а также протеомные и метаболомные данные.
Люди действительно избегают проведения подобных экспериментов в полевых условиях и вместо этого проводят их в контролируемых условиях в лаборатории или теплице. Но я считаю, что инвестиции времени и ресурсов, которые мы вкладываем в это, окупиться качеством ответов, которые мы получаем, с точки зрения понимания реальных ситуаций засухи», - сказал Лемо.