Изменение климата угрожает урожайности во всем мире, однако мало что известно о том, как глобальное потепление нарушит нормальную физиологию растений. Исследователи в Великобритании теперь показывают, что более высокие температуры ускоряют распространение семян у видов культур, принадлежащих к семейству капустных и горчичных растений, что ограничивает репродуктивный успех, и этот эффект опосредуется геном, называемым INDEHISCENT. Результаты опубликованы 12 февраля в журнале Molecular Plant..
"Для многих культур, таких как масличный рапс, преждевременное рассеивание семян является одной из основных причин потери урожая. В контексте изменения климата это может стать еще более серьезным», - говорит соавтор Винод Кумар, биолог по развитию растений из Центра Джона Иннеса в Норвиче, Англия. «Это исследование раскрывает потенциальную уязвимость растениеводства в условиях глобального потепления. и прокладывает путь к решению этой проблемы."
Растения обладают необычайной способностью приспосабливаться к различным условиям окружающей среды. Например, несмотря на ежедневные изменения погоды и температуры, выброс семян соответствует преобладающим сезонным условиям.
«Распространение семян также является ключевым признаком, который необходимо контролировать при одомашнивании растений для производства продуктов питания», - говорит соавтор Ларс Остергаард, генетик растений из Центра Джона Иннеса. «Учитывая перспективу того, что изменение климата повлияет на урожайность, мы хотели понять, как сигналы окружающей среды, такие как температура, влияют на распространение семян».
Одним из ключей к разгадке стало наблюдение, что растения арабидопсиса, принадлежащие к семейству Brassicaceae (горчица или капуста), быстрее созревают и раскрывают свои семенные коробочки при выращивании при повышенных температурах. Вдохновленный этим наблюдением, Синь-Ран Ли, научный сотрудник Кумара и Остергаарда и первый автор исследования, приступил к исследованию.
Они обнаружили, что повышение температуры с 22ºC до 27ºC ускоряет разрушение стручков и распространение семян у арабидопсиса и важных культур Brassicaceae, таких как масличный рапс, который является ключевым ингредиентом растительного масла. Кроме того, повышенные температуры ускоряют распространение семян за счет усиления экспрессии гена INDEHISCENT, который, как известно, регулирует развитие ткани семенной коробочки и способствует раскрытию плодов..
«Мы предполагаем, что такие механизмы развились, чтобы способствовать правильному сезонному расселению, чтобы гарантировать, что семена высвобождаются в условиях, которые являются своевременными и климатически оптимальными для прорастания», - говорит Ли.«Возможно, может быть селективное преимущество в раннем созревании и расселении в дикой природе».
Помимо эволюционных последствий, результаты могут иметь большое значение для поддержания урожайности важных сельскохозяйственных культур. Масличный рапс является одним из крупнейших источников растительного масла в мире, а также используется в качестве биотоплива и корма для животных. В более общем плане семейство Brassicaceae включает многие экономически ценные сельскохозяйственные культуры, в том числе белокочанную капусту, горчицу, брокколи, цветную капусту, листовую капусту, брюссельскую капусту, бок-чой, листовую капусту, репу, редис и брюкву.
«Мы были взволнованы открытием, что то, что мы обнаружили в модельном растении арабидопсис, справедливо и для культурных растений, таких как рапс, и для не одомашненных видов семейства крестоцветных», - говорит Кумар. «Это подчеркивает важность наших находок как в дикой природе, так и в полевых условиях».
На основе своего исследования исследовательская группа предлагает новые стратегии подготовки сельскохозяйственных культур к глобальному потеплению. Например, усилия по селекции растений можно было бы сосредоточить на выведении устойчивых к температуре сортов, способных справиться с изменением климата. Кроме того, инструменты редактирования генов, такие как система CRISPR/Cas, могут использоваться для снижения экспрессии гена INDEHISCENT, тем самым задерживая высвобождение семян и снижая потери урожая.
Со своей стороны, Кумар и Остергаард планируют дальнейшее исследование молекулярных механизмов, лежащих в основе вызванных температурой изменений в распространении семян. «Мы надеемся, что, поняв это в деталях, мы будем лучше подготовлены к разработке стратегий селекции для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к изменению климата», - говорит Остергаард.