Растения используют различные стратегии, чтобы выжить при изменении температуры их естественной среды. Это наиболее очевидно в регионах с умеренным климатом, где лесные деревья сбрасывают листву для сохранения энергии в холодное время года. В новом исследовании группа биологов из Национального университета Сингапура (NUS) обнаружила, что некоторые растения могут избирательно уничтожать часть своих корней, чтобы выжить в холодных погодных условиях.
Этот подход позволяет растениям выдерживать стресс от холода и быстрее восстанавливаться, когда погода улучшается. Открытие и понимание этого подхода к выживанию может проложить путь к разработке новых стратегий для улучшения роста и урожайности сельскохозяйственных культур, которые подвергаются такому экологическому стрессу.
Исследование, проведенное под руководством доцента Сюй Цзяня из отдела биологических наук факультета естественных наук Национального университета США, проводилось с использованием небольшого цветущего растения под названием кресс-салат, известного в науке как арабидопсис. Это растение принадлежит к семейству Brassicaceae, и его родственниками являются зелень горчицы, белокочанная капуста и листовая капуста.
Исследование проводилось совместно с учеными Новосибирского государственного университета, а результаты были опубликованы в интернет-издании журнала Cell 22 июня 2017 года.
Жертвенный механизм растений
Исследования показали, что температура может вызывать повреждение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) растительных клеток и оказывает сильное влияние на развитие и рост растений. Однако его влияние на поведение и активность стволовых клеток растений до сих пор недостаточно изучено.
Изучение корней растений до недавнего времени в значительной степени игнорировалось сельскохозяйственными исследователями в области улучшения сельскохозяйственных культур. Изучение корней важно, поскольку они служат основным связующим звеном между растением и его почвенной средой и отвечают за поглощение воды и питательных веществ - оба ресурса имеют решающее значение для выживания растения», - сказал доцент Сюй, который также работает в Центре. для BioImaging Sciences в NUS.
Исследовательская группа провела эксперименты с корнями арабидопсиса, растения, часто используемого в качестве «модельного организма» в биологии растений, и в 2000 году его геном был полностью секвенирован. Чтобы исследовать влияние низких температур на развитие и рост корней, команда использовала нишу корневых стволовых клеток арабидопсиса в качестве экспериментальной модели для проведения углубленных исследований с высоким пространственным и временным разрешением. Использование таких экспериментальных моделей дает глубокое понимание стратегий выживания, которые используют растения, когда шансы против них.
Исследовательская группа обнаружила, что низкая температура в четыре градуса по Цельсию приводит к повреждению ДНК в корневых стволовых клетках арабидопсиса, а также их ранних потомков. Однако преимущественно погибают только дочерние стволовые клетки колумеллы, и гибель этих дочерних клеток позволяет поддерживать функциональную нишу стволовых клеток. С другой стороны, ингибирование реакции на повреждение ДНК в этих дочерних клетках предотвращает их гибель. Тем не менее, это увеличивает вероятность того, что другие стволовые клетки в нише корневых стволовых клеток погибнут из-за холода, что приведет к гибели растения.
Доктор Хун Цзин Хан, который является первым автором исследования, уточнил: «Жертвенный механизм улучшает способность корня противостоять другим стрессам, связанным с низкими температурами. Когда оптимальные температуры восстанавливаются, стволовые клетки растений могут делиться. более быстрыми темпами, что, в свою очередь, улучшит восстановление и выживание растения». Доктор Хун провела исследование в рамках своей докторской диссертации под руководством доцента Сюй.
Исследование проводилось при поддержке Национального исследовательского фонда Сингапура и Министерства образования Сингапура.
Инженерная холодоустойчивость растений
Наше открытие того, как растение арабидопсис убивает свои дочерние стволовые клетки колумеллы, проливает свет на уникальную стратегию растения по выживанию в суровых погодных условиях и демонстрирует потенциал инженерной устойчивости растений к холоду, чтобы помочь им противостоять суровым условиям окружающей среды., Возможность сделать это, безусловно, позволит фермерам продлить вегетационный период сельскохозяйственных культур и площадь земли, на которой они выращиваются, повысив как стабильность урожая, так и производственные мощности», - сказал доцент Сюй.
Следующим шагом ассистента профессора Сюй и его команды будет раскрытие регуляторной сети генов, лежащей в основе успешной адаптации растений и их стволовых клеток к холодным условиям.