Скрытые подземные сети корней растений извиваются сквозь землю в поисках питательных веществ и воды, подобно червю, ищущему пищу. Тем не менее, генетические и молекулярные механизмы, определяющие, какие части почвенных корней исследуются, остаются в значительной степени неизвестными. Теперь исследователи из Института Солка обнаружили ген, который определяет, будут ли корни расти глубоко или неглубоко в почве.
Кроме того, результаты, опубликованные в Cell 11 июля 2019 года, также позволят исследователям разрабатывать растения, которые могут помочь в борьбе с изменением климата, в рамках инициативы Солка по использованию растений. Инициатива направлена на выращивание растений с более крепкими и более глубокими корнями, которые могут дольше хранить повышенное количество углерода под землей, чтобы уменьшить выбросы CO2 в атмосферу. Инициатива Солка получит более 35 миллионов долларов от более чем 10 частных лиц и организаций через The Audacious Project для дальнейшего развития этой инициативы.
«Мы невероятно взволнованы этим первым открытием на пути к реализации целей Инициативы по использованию растений», - говорит доцент Вольфганг Буш, старший автор статьи и член Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка. а также его Лаборатория интегративной биологии. «Снижение уровня CO2 в атмосфере является одной из самых больших проблем нашего времени, и лично для меня очень важно работать над решением».
В новой работе исследователи использовали модель растения кресс-салат (Arabidopsis thaliana) для идентификации генов и их вариантов, которые регулируют работу ауксина, гормона, который является ключевым фактором в контроле архитектуры корневой системы. Хотя было известно, что ауксин влияет почти на все аспекты роста растений, было неизвестно, какие факторы определяют, как именно он влияет на архитектуру корневой системы.
«Чтобы лучше увидеть рост корней, я разработал и оптимизировал новый метод изучения корневых систем растений в почве», - говорит первый автор Такехико Огура, научный сотрудник лаборатории Буша. «Корни A. thaliana невероятно малы, поэтому их нелегко увидеть, но, разрезав растение пополам, мы могли бы лучше наблюдать и измерять распределение корней в почве».
Команда обнаружила, что один ген, названный EXOCYST70A3, напрямую регулирует архитектуру корневой системы, контролируя путь ауксина, не нарушая другие пути. EXOCYST70A3 делает это, влияя на распределение PIN4, белка, который, как известно, влияет на транспорт ауксина. Когда исследователи изменили ген EXOCYST70A3, они обнаружили, что ориентация корневой системы изменилась, и больше корней ушло глубже в почву.
«Биологические системы невероятно сложны, поэтому может быть сложно связать молекулярные механизмы растений с реакцией окружающей среды», - говорит Огура. «Установив связь между тем, как этот ген влияет на поведение корней, мы выявили важный этап адаптации растений к изменяющимся условиям среды через ауксиновый путь».
В дополнение к тому, что это открытие позволило команде разработать растения, которые могут развивать более глубокую корневую систему, чтобы в конечном итоге накапливать больше углерода, это открытие может помочь ученым понять, как растения справляются с сезонными колебаниями количества осадков и как помочь растениям адаптироваться к изменяющемуся климату.
«Мы надеемся использовать эти знания о пути ауксина как способ раскрыть больше компонентов, связанных с этими генами, и их влияние на архитектуру корневой системы», - добавляет Буш. «Это поможет нам создать лучшие, более адаптируемые сельскохозяйственные культуры, такие как соя и кукуруза, которые фермеры смогут выращивать, чтобы производить больше продуктов питания для растущего населения мира."
Среди других авторов были Сантош Б. Сатбхай из Солка, а также Кристиан Гешль, Даниэле Филио, Мадалина Миреа, Радка Словак и Бонни Вольхраб из Института Грегора Менделя в Австрии.