Защищать или расти? Могут ли растения делать то и другое одновременно? Ученые Мичиганского государственного университета, возможно, приближаются к ответу на эти вопросы. Ответы имеют значение. Когда-нибудь они могут помочь нам понять природу природных экосистем или помочь фермерам повысить урожайность, не увеличивая зависимость от химикатов для борьбы с вредителями.
Лаборатория Грегга Хоу в Исследовательской лаборатории растений МГУ при Министерстве энергетики США генетически настроила растение, чтобы оно стало очень устойчивым к нападениям насекомых. Но превращение в такую крепость ставит под угрозу его возможности роста и размножения. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Выводы, кажется, поддерживают давнюю парадигму, называемую компромиссом между ростом и защитой. Это происходит примерно так: растения работают с фиксированным бюджетом энергии. Таким образом, они расставляют приоритеты в использовании ресурсов в зависимости от потребности. Если они тратят больше энергии на рост, их защитные силы скомпрометированы. С другой стороны, наличие большего количества защитных возможностей снижает рост.
Растения в природе, кажется, следуют этому общему правилу. При стрессе из-за засухи, болезней или насекомых-вредителей у растений возникают защитные реакции, которые обычно замедляют рост до ползания. Но если растениям приходится быстро расти, например, чтобы конкурировать с соседями за свет, их защитные силы ослабевают.
«Наше исследование свидетельствует о том, что крупные инвестиции в оборону неизбежно сокращают количество ресурсов, которые в противном случае были бы доступны для роста и репродуктивной способности», - говорит Цян Го, аспирант лаборатории Хоу.
Исследование сосредоточено на системе защиты от травоядных, которые зависят от растений в качестве убежища и пищи. Если гусеница начинает жевать лист, система вырабатывает токсины, которые ее отпугивают. Но при отсутствии опасности растение отключает свою защитную систему с помощью батареи из 13 белков-репрессоров, называемых JAZ, которые тормозят защиту для экономии энергии.
Бывший постдоктор в лаборатории Хоу Юки Йошида генетически вывел растение, в котором отсутствуют 10 из этих 13 белков-репрессоров. В результате завод находился в непрерывном режиме защиты от перегрузки.
«Он продолжал производить защитные соединения даже при отсутствии угроз. Как и ожидалось, он показал высокую устойчивость к насекомым», - говорит Го. «Высвобождение этого защитного арсенала также обеспечило защиту от грибков, поражающих ткани растений».
Заводы тоже должны сбалансировать свой бюджет
Увы, сильные растения без…. «Весь этот ДЖАЗ».
"У них намного более медленная скорость роста по сравнению с их дикими собратьями. Мы можем буквально видеть и измерять дефицит скорости роста в день."
У растений также сильно нарушен репродуктивный успех. Они производят на 1/3 меньше семян, и эти семена прорастают позже, чем обычно. Семена, как правило, меньше по размеру и более низкого качества, содержат меньше питательных жиров и имеют другой липидный состав.
Команда исключила, что фотосинтез - то, как растения получают энергию - был скомпрометирован. Входит Ян Мейджор, постдоктор в лаборатории Хоу.
«Мутировавшее растение получает такое же количество энергетических соединений в результате фотосинтеза, как и его дикий, естественный аналог», - говорит Мейджор. «Однако он потребляет больше энергии, чем обычно. Мы считаем, что завод подпитывает массовое и постоянное производство защитных соединений, что отвлекает ресурсы от роста.
Гуо добавляет, что использование большого количества энергии лишает растения питательных веществ.«У него недостаточно энергии для оптимального выполнения других функций, таких как рост», - добавляет он. «Чтобы проиллюстрировать это, мы накормили растение сахаром, источником топлива, и оно частично восстановило свой рост».
Наш вывод состоит в том, что белки JAZ помогают растениям расти и размножаться, укрощая их защитные механизмы, когда угроза нападения низка, что позволяет экономить энергию. В зависимости от серьезности угрозы белки JAZ будут набирать защитные силы, как нужен, наверное, как диммируемый выключатель света, - говорит Майор.
Исследовательская группа подчеркивает важность десятилетних усилий доктора Йошиды по уничтожению белков JAZ один за другим. «Он проигнорировал многих из нас, когда мы сказали ему, что это сложный и сопряженный с высоким риском проект. Но теперь у нас есть новые взгляды на растения и на то, как мы можем комбинировать признаки растений новыми и полезными способами», - говорит Мейджор.