По мере того, как мир нагревается, растения сталкиваются с дилеммой - те же крошечные отверстия, которые они должны открывать для газообмена, также выпускают воду. Они могут закрывать отверстия, называемые устьицами, чтобы избежать обезвоживания в более жарких и сухих условиях, но при этом могут упустить критически важный углекислый газ.
Вопрос для лаборатории Бергманна в Стэнфордском университете заключается в том, как эта дилемма будет решаться по мере того, как все большее количество растений в мире будет жить в более теплой и сухой среде. Чтобы понять это, группе пришлось сделать шаг назад и лучше понять, как растения регулируют количество устьиц, образующихся на каждом листе. Ответ не только указывает на то, что инженерные растения могут противостоять изменению климата, но также раскрывает ранее неизвестный процесс, с помощью которого растения точно регулируют количество устьиц, которые они строят.
Было бы очень хорошо иметь возможность лучше предсказывать, как растительность, такая как бореальные леса, будет реагировать на глобальные изменения климата. Изменения в развитии устьиц - это тип механизма, который растения, вероятно, используют для адаптации к окружающей среде. изменения, но нам еще многое предстоит узнать об этом», - сказала Анн Ватен, научный сотрудник с докторской степенью в лаборатории Доминика Бергманна, профессора биологии Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета.
В статье, опубликованной 6 сентября в журнале Developmental Cell, исследователи выяснили, какой гормон в растении Arabidopsis thaliana координирует количество устьиц, которые производит растение. Более того, они изменили уровни этого гормона в растении, используя технологию редактирования генов CRISPR/Cas9, чтобы получить представление о том, в какой степени этот гормон может увеличивать или уменьшать присутствие устьиц.
Наблюдение за развитием устьиц
Группа начала с изучения влияния цитокинина, важного растительного гормона, который, как долгое время считалось, влияет на развитие устьиц и координирует его с другими процессами, происходящими в растении. Ватен, ведущий автор статьи, проанализировал весь геном A. thaliana и подтвердил, что гены, связанные с цитокинином, действительно очень активны в клетках, которые вот-вот станут устьицами. Затем, повышая или понижая уровень этого гормона в определенных клетках сотен лабораторных растений, исследователи обнаружили, что могут тонко изменять количество устьиц, которые производит растение.
Более того, они точно проследили, как цитокинин работает в этом контексте. Он активирует ген под названием SPEECHLESS, который ставит клетки на путь превращения в устьица. Но этот путь непрямой - ранние шаги включают в себя деления, подобные стволовым клеткам, которые способны расширять пул клеток, предназначенных для устьиц. В ходе своих экспериментов исследователи обнаружили, что, хотя SPEECHLESS подталкивает больше клеток к превращению в устьица, он также активирует четыре белка, которые подавляют способность клеток реагировать на цитокинин.
Хотя изменение уровня цитокинина постоянно влияло на устьица, исследователи обнаружили, что эффект никогда не был очень драматичным - например, полное устранение белков, которые они идентифицировали, изменило количество устьиц только примерно на 10 процентов. С этим открытием группе стало любопытно, имело ли значение довольно умеренное 10-процентное увеличение устьиц. Изучая предыдущие исследования по выращиванию растений в экстремальных условиях, Бергманн обратил внимание на эксперименты, в которых ученые удвоили нормальные уровни углекислого газа в атмосфере растений и наблюдали эффект на устьицах. В исследованиях, в которых участвовали сотни особей, представляющих десятки видов, ответом было уменьшение количества устьиц на их листьях в среднем примерно на 9 процентов.
«Это было действительно приятное открытие», - сказал Бергманн, который также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и старшим автором статьи.«Было здорово иметь возможность сказать, что изменения, которые мы наблюдаем в количестве устьиц, когда растения теряют способность использовать систему цитокинин-БЕСРЕЧНОСТЬ, находятся в сфере того, насколько растения обычно меняются, чтобы справиться с изменением окружающей среды».
CRISPR и изменение климата
Исследователи использовали технологию редактирования генов CRISPR/Cas9, чтобы точно изменить отдельные гены в своих растениях, чтобы повысить или понизить уровень цитокинина. По словам исследователей, эта технология очень многообещающая, поскольку позволяет вносить небольшие целенаправленные изменения для улучшения способности растений противостоять изменению климата. Однако недавно Европейский Союз решил, что растения, модифицированные с помощью CRISPR, должны подчиняться таким же строгим законам, как и растения, модифицированные с помощью более старых и менее точных методов. Опыт Бергманн с обоими заставляет ее усомниться в этом решении, особенно, по ее словам, потому что растения, подвергнутые мутагенезной селекции, гораздо более старой и гораздо более инвазивной процедуре, не подпадают под действие правил.
«Важно обсудить, как генетическая информация изменяется естественным путем и с помощью различных технологий, таких как CRISPR/Cas9, и чтобы ученые продолжали делать акцент на улучшении растений в большей степени на благо людей, чем на прибыль корпораций», - сказал Бергманн. «но я думаю, что нынешнее решение ЕС недальновидно».
По аналогии с персонализированной медициной исследователи предсказывают, что биологи растений будут все больше интересоваться небольшими изменениями, которые ученые могут произвести в растениях посредством генетического редактирования.
Следующим шагом в этой работе будет изучение того, как гормон цитокинин связывает развитие устьиц с развитием сосудистой системы, а также с конкретными изменениями окружающей среды, такими как засуха. Тем временем лаборатория Бергмана уже изучает, как другие растительные гормоны регулируют устьица.
Соавторами статьи являются Кара Соярс и Закари Нимчук из Университета Северной Каролины, а также Пол Тарр из Калифорнийского технологического института и Медицинского института Говарда Хьюза.