Из основных продовольственных культур в настоящее время только рис может пережить наводнение. Благодаря новым исследованиям это может скоро измениться - хорошие новости для мира, в котором дожди становятся все более частыми и интенсивными.
Исследование, недавно опубликованное в журнале Science, изучало, как другие культуры сравниваются с рисом при погружении в воду. Выяснилось, что растения - дикорастущий помидор, помидор, используемый в сельском хозяйстве, и растение, похожее на люцерну, - имеют как минимум 68 общих семейств генов, которые активируются в ответ на наводнение.
Рис был одомашнен из диких видов, которые росли в тропических регионах, где он приспособился к муссонам и заболачиванию. Некоторые гены, участвующие в этой адаптации, существуют и у других растений, но они не эволюционировали, чтобы включаться при затоплении корней.
«Мы надеемся воспользоваться тем, что мы узнали о рисе, чтобы помочь активировать гены в других растениях, которые могут помочь им выжить при затоплении», - сказала руководитель исследования Джулия Бейли-Серрес, профессор генетики Калифорнийского университета в Риверсайде.
В ходе исследования ученые изучили клетки, расположенные на кончиках корней растения, поскольку корни первыми реагируют на наводнение. Кончики корней и побеги также являются местом, где находится основной потенциал роста растения. Эти области содержат клетки, которые могут помочь растению стать более устойчивым к затоплению.
Двинувшись еще глубже, команда изучила гены в этих клетках кончика корня, чтобы понять, активировались ли их гены, когда их покрыли водой и лишили кислорода, и каким образом.
«Мы рассмотрели то, как ДНК инструктирует клетку создать определенную реакцию на стресс, с беспрецедентным уровнем детализации», - сказал один из ведущих исследователей, Маурисио Рейносо из Калифорнийского университета в Риверсайде.
«Это первый случай, когда реакция наводнения рассматривалась таким всеобъемлющим образом для разных эволюционно разных видов», - добавила соавтор исследования Шивон Брэди, доцент кафедры биологии растений Калифорнийского университета в Дэвисе..
Гены, участвующие в адаптации к затоплению, называются семействами с повышенной регуляцией погружения (SURF). «Поскольку эволюция отделила предков риса от этих других видов целых 180 миллионов лет назад, мы не ожидали найти 68 общих SURF», - говорит соавтор Нилима Синха, профессор биологии растений Калифорнийского университета в Дэвисе.
Исследование было проведено в рамках международного сотрудничества, финансируемого Программой исследования генома растений Национального научного фонда. В исследовании приняли участие исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе, а также Эмори, Национального университета Ла-Платы в Аргентине и Утрехтского университета в Нидерландах.
В то время как исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде проводили эксперименты с затоплением и анализировали геномы растений риса, ученые из Дэвиса проделали то же самое с видами помидоров, а в Эмори была проведена работа с растениями типа люцерны.
Хотя SURF были активированы во всех растениях во время экспериментов с затоплением, их генетические реакции были не такими эффективными, как у риса. Дикие виды помидоров, которые растут в почве пустыни, увяли и погибли при затоплении.
Изменение климата также вызывает периоды чрезмерной засухи, и в настоящее время предпринимаются отдельные усилия по изучению устойчивости сельскохозяйственных культур к этим условиям. Тем не менее, Бейли-Серрес сказал, что реакция на наводнения недостаточно изучена по сравнению с засухой, что делает эту работу еще более важной.
В настоящее время группа планирует дополнительные исследования, чтобы улучшить выживаемость растений, которые в настоящее время погибают и гниют от избытка воды.
Этот год не первый, когда из-за обильных дождей фермеры не могут сажать такие культуры, как кукуруза, соя и люцерна. Наводнения также нанесли ущерб качеству урожая, который они смогли вырастить. Поскольку климат продолжает меняться, эта тенденция, вероятно, сохранится. Без усилий, направленных на то, чтобы наши культуры адаптировались, мировое снабжение продовольствием окажется под угрозой.
«Представьте себе мир, в котором детям не хватает калорий для развития», - сказал Бейли-Серрес. «Мы, ученые, должны срочно помочь растениям противостоять наводнениям, чтобы обеспечить продовольственную безопасность в будущем».