Ячмень, пшеница, кукуруза или рис: семейство трав включает все основные злаки. Они жизненно необходимы для питания населения мира. Фермеры производят 80% всех продуктов растительного происхождения из трав. Этот успех отчасти объясняется способностью растений быстрее приспосабливаться к засушливым условиям и переносить недостаток воды лучше, чем другие растения.
Но почему травы более устойчивы к нехватке воды? Можно ли выращивать другие продовольственные культуры на это свойство, чтобы обеспечить или повысить урожайность сельскохозяйственных культур в будущем? Это может быть важно перед лицом растущего населения мира и изменения климата, которое повлечет за собой увеличение количества периодов засушливой и жаркой погоды.
Исследователи растений профессор Райнер Хедрих, профессор Дитмар Гайгер и доктор Петер Аче из Университета Юлиуса-Максимилиана Вюрцбурга (JMU) в Баварии, Германия, изучают эти вопросы. Они изучили пивоваренный ячмень, чтобы определить, почему травы более устойчивы к стрессу и поэтому являются «лучшими» сельскохозяйственными культурами, чем картофель и ему подобные.
Две аминокислоты имеют значение
Ученые обнаружили, что это различие может быть связано с белком SLAC1 замыкающих клеток. Всего две аминокислоты, строительные блоки, из которых состоят белки, отвечают за засухоустойчивость растения. «Теперь мы хотим выяснить, можно ли использовать эту небольшую разницу, чтобы сделать картофель, помидоры или рапс более устойчивыми к стрессу», - говорит Райнер Хедрих.
Новые данные были опубликованы в журнале Current Biology, где Хедрих, Гейгер и Аче описывают, как они точно определили крошечную разницу между травами и другими растениями.
Ионный транспорт является ключевым процессом
Исследователи JMU начали тщательно изучать микроскопически маленькие поры листьев, называемые устьицами. Эти отверстия пропускают углекислый газ для фотосинтеза в растение. Но они также служат выходами для воды. Чтобы предотвратить потерю слишком большого количества воды в результате испарения, наземные растения в ходе эволюции научились активно открывать и закрывать устьица с помощью специальных замыкающих клеток. Мембранные белки, такие как SLAC1, играют ключевую роль в этом регулирующем процессе: действуя как каналы, они направляют ионы внутрь и наружу клеток.
Хедрич убежден, что базовое понимание молекулярных процессов, происходящих во время транспорта ионов через плазматическую мембрану замыкающих клеток, является ключом к улучшению засухоустойчивости и урожайности сельскохозяйственных культур.
Ионные челноки делают поры листьев более эффективными
Устьица злаков имеют особенность: поры окаймлены двумя парами клеток, тогда как у других растений только одна пара клеток. Злаки могут похвастаться двумя замыкающими клетками в форме гантелей, которые формируют и регулируют поры. Кроме того, они окружены двумя вспомогательными ячейками.
Исследователи JMU продемонстрировали, что вспомогательные клетки поглощают и сохраняют калий и хлорид из замыкающих клеток, когда поры закрываются. Когда устьица открываются, они возвращают ионы замыкающим клеткам. «Наши злаки используют вспомогательные клетки в качестве динамического резервуара для осмотически активных ионов. Такой перенос ионов между замыкающими клетками и вспомогательными клетками позволяет растению особенно эффективно и быстро регулировать поры», - объясняет Дитмар Гайгер..
Две измерительные системы для повышенной засухоустойчивости
Есть второй механизм, который делает травы более устойчивыми к засушливым условиям. Когда воды не хватает, растения вырабатывают гормон стресса АБК (абсцизовую кислоту). Внутри замыкающих клеток он активирует ионные каналы семейства SLAC1, тем самым инициируя закрытие устьиц, чтобы предотвратить увядание растения в течение нескольких минут.
«Интересно, что мы обнаружили, что нитраты должны присутствовать в пивоваренном ячмене и других злаках в дополнение к ABA, чтобы позволить порам закрыться», - говорит Питер Эйч. Концентрация нитратов позволяет ячменю измерять форму фотосинтеза. Если он работает гладко, уровень нитратов низкий.
Ячмень, следовательно, опирается на две измерительные системы: он использует ABA для регистрации наличия воды и нитраты для оценки производительности фотосинтеза. «Сочетая эти два фактора, ячмень лучше, чем другие растения, может балансировать между крайностями «умереть от голода» и «умереть от жажды» в условиях нехватки воды», - объясняет Райнер Хедрих
Тестирование датчика нитратов на других установках
Какой механизм отвечает за разницу в регуляции устьиц на молекулярном уровне? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи проанализировали каналы SLAC1 различных травянистых растений по сравнению с травами. Это позволило им идентифицировать «датчик нитратов» трав: он состоит из мотива из двух аминокислот, которые впервые появились во мхах в процессе эволюции и впоследствии были дополнительно оптимизированы, чтобы придать замыкающим клеткам их уникальные свойства.
На следующем этапе команда исследователей хочет установить, выигрывают ли травянистые сельскохозяйственные культуры от наличия датчика нитратов. Для этого ученые хотят подогнать растения арабидопсиса, у которых отсутствует канал SLAC1, к каналу SLAC1 ячменя. «Если этот шаг повысит их стрессоустойчивость, мы можем рассмотреть возможность выращивания оптимизированного картофеля, помидоров или рапса», - говорит Хедрич.
Финансируется программой BayKlimaFit
Исследования проводились в рамках консорциума Bavarian BayKlimaFit. Его цель - найти стратегии, позволяющие сделать продовольственные культуры пригодными для изменения климата. Консорциум получает финансирование от Баварского государственного министерства окружающей среды и защиты прав потребителей.