Железо необходимо для роста растений, но при сильных дождях и плохой аэрации многие кислые почвы становятся токсичными из-за избытка железа. В странах с драматическими сезонами наводнений, таких как Западная Африка и тропическая Азия, токсичные уровни железа могут иметь тяжелые последствия для доступности основных продуктов питания, таких как рис.
Несмотря на десятки попыток за последние два десятилетия выявить гены, ответственные за толерантность к железу, до недавнего времени они оставались неуловимыми. Теперь ученые Солка обнаружили основной генетический регулятор толерантности к железу, ген под названием GSNOR. Выводы, опубликованные в журнале Nature Communications 29 августа 2019 года, могут привести к развитию видов сельскохозяйственных культур, дающих более высокие урожаи в почвах с избытком железа.
«Это первый случай, когда ген и его природные варианты были идентифицированы для устойчивости к железу», - говорит доцент Вольфганг Буш, старший автор статьи и член Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка. как Лаборатория интегративной биологии. «Эта работа интересна, потому что теперь мы понимаем, как растения могут расти в стрессовых условиях, таких как высокое содержание железа, что может помочь нам выращивать более устойчивые к стрессу культуры».
У таких растений, как рис, повышенный уровень железа в почве вызывает прямое повреждение клеток, повреждая жиры и белки, снижая способность корней к росту. Тем не менее, некоторые растения, по-видимому, обладают врожденной устойчивостью к высоким уровням железа; ученые хотели понять почему.
«Мы считали, что в основе этой устойчивости лежат генетические механизмы, но было неясно, какие гены за это ответственны», - говорит первый автор Баохай Ли, научный сотрудник лаборатории Буша. «Чтобы изучить этот вопрос, мы использовали силу естественной изменчивости сотен различных штаммов растений для изучения генетической адаптации к высоким уровням железа».
Ученые сначала протестировали ряд штаммов небольшого растения горчицы (Arabidopsis thaliana), чтобы выяснить, существуют ли естественные различия в устойчивости к железу. Некоторые из растений проявляли толерантность к токсичности железа, поэтому исследователи использовали подход, называемый полногеномными ассоциативными исследованиями (GWAS), чтобы найти ответственный ген. Их анализ показал, что ген GSNOR является ключом к тому, чтобы растения и корни могли расти в среде с высоким содержанием железа.
Исследователи также обнаружили, что механизм толерантности к железу, к их удивлению, связан с активностью оксида азота, газообразной молекулы, играющей различные роли в растениях, включая реакцию на стресс. Высокий уровень оксида азота вызывал клеточный стресс и нарушал устойчивость корней растений к повышенным уровням железа. Это происходило, когда у растений не было функционального гена GSNOR. GSNOR, вероятно, играет центральную роль в метаболизме оксида азота и регулирует способность растений реагировать на клеточный стресс и повреждение. Этот механизм оксида азота и ген GSNOR также влияли на толерантность к железу у других видов растений, таких как рис (Oryza sativa) и бобовые (Lotus japonicus), предполагая, что этот ген и его активность, вероятно, имеют решающее значение для многих, если не для всех, растений. виды растений.
«Выявив этот ген и его генетические варианты, которые обеспечивают толерантность к железу, мы надеемся помочь растениям, таким как рис, стать более устойчивыми к железу в регионах с токсичным уровнем железа», - говорит Буш. «Поскольку мы обнаружили, что этот ген и путь были законсервированы у многих видов растений, мы подозреваем, что они могут быть важны для устойчивости к железу у всех высших растений. Кроме того, этот ген и путь могут также играть роль у людей и могут привести к новым лечения состояний, связанных с перегрузкой железом."
Затем Ли откроет собственную лабораторию в Чжэцзянском университете в Китае. Он планирует определить соответствующие генетические варианты риса и посмотреть, могут ли варианты, устойчивые к железу, повысить урожайность на затопленных китайских полях.