Эрозия почвы считается проблемой, которая ставит под угрозу питание населения. Одним из его аспектов является засоление почв, которое затрагивает особенно засушливые регионы Земли, где фермеры вынуждены усиленно орошать свои поля. Большие количества растворенных в воде солей, таких как натрий и хлор, диффундируют в почву и остаются там после испарения воды. Соль задерживает урожай и даже может сделать почву неплодородной в долгосрочной перспективе.
«Все подходы к выведению солеустойчивых растений следует рассматривать в большей или меньшей степени как неудачные», - говорит профессор Райнер Хедрих, специалист по растениям из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия. Все они были направлены на выращивание сельскохозяйственных культур на засоленных почвах и выявление при этом линий солеустойчивых пород. Но такой подход не работает.
И это неспроста: «Наши сельскохозяйственные растения - результат многолетней селекции. За это время человек укрыл их практически от всех негативных воздействий окружающей среды, так что они утратили большую часть своих естественных устойчивость», - объясняет Хедрих. «Как только эти элитные линии вступают в контакт со слишком большим количеством соли, они обычно умирают».
Солеустойчивые растения служат образцом
Итак, Райнер Хедрих вместе с профессором Сергеем Шабалой (Университет Тасмании) приступили к разработке новой стратегии. Двое ученых сделали ставку на растения, которые естественным образом солеустойчивы.
Одним из таких растений является лебеда (Chenopodium quinoa). Он происходит из Анд, где используется в пищу уже 7000 лет. Тем временем семена этого южноамериканского псевдозлака, не содержащие глютен и богатые витаминами, попали на полки европейских супермаркетов.
Растение поглощает соль из почвы и хранит ее в пузырчатых клетках на поверхности листьев. Это защищает чувствительные к соли метаболические процессы, и растение может хорошо расти даже на засоленных почвах.
Без клеток мочевого пузыря киноа страдает от солевого стресса
Исследователи нашли простой способ доказать, что на самом деле именно клетки мочевого пузыря обеспечивают солеустойчивость растения. «Всего несколько легких мазков кистью по листу лебеды вызывают отпадение клеток мочевого пузыря», - говорит профессор Шабала. Лишенные солевых пузырей, эти растения растут на незасоленных почвах так же хорошо, как и экземпляры, не покрытые щеткой. Но воздействие поваренной соли значительно замедляет их рост.
Округлые или овальные клетки мочевого пузыря киноа имеют диаметр почти полмиллиметра. Это настоящие гиганты в царстве растений, и их обычно можно увидеть даже невооруженным глазом. Их емкость хранения до 1000 раз выше, чем у любой нормальной клетки поверхности листа.
Цена утилизации соли - сахар
Чтобы получить представление об «операционной системе» лебеды и ее клетках мочевого пузыря, рабочая группа профессора Цзянь-Кан Чжу (Шанхайский университет) расшифровала ДНК андских злаков. Затем команда профессора Хедрича сравнила активные гены листьев и клеток мочевого пузыря. Необходимые биоинформационные анализы были выполнены экспертами Шанхайского университета и командой Георга Хаберера из Центра Гельмгольца в Мюнхене.
Результат: даже без обработки солью в клетках мочевого пузыря работают гены, которые у других видов активны только тогда, когда растение находится в состоянии стресса. К ним относятся транспортеры, переносящие ионы натрия и хлора в клетку мочевого пузыря. Стимуляция солью запускает активацию дополнительных генов, необходимых для поддержания сигнального пути гормона стресса ABA.
Хранение соли требует энергии. Эта энергия вырабатывается клетками мочевого пузыря из молекул сахара, которые они специально импортируют из листьев для этой цели. Клетки мочевого пузыря получают необходимую энергию от листа и отвечают взаимностью, поглощая токсичную соль», - объясняет Хедрих.
Скрещивание солеустойчивости с культурными растениями
Новые результаты были опубликованы в журнале Cell Reports. Их предполагается использовать в долгосрочной перспективе для селекции солеустойчивых растений. «Первый шаг сделан, - говорит профессор Хедрич. «Теперь мы будем использовать комбинацию генетики развития и функционального анализа белков, переносящих соль, чтобы понять молекулярные механизмы, которые производят и поддерживают толерантность к соли у киноа».
Исследовательская группа JMU хочет извлечь уроки из линий по производству киноа, оснащенных очень большим или очень небольшим количеством солевых камер. У него большой пул: на сегодняшний день известно около 2000 дикорастущих и культивируемых разновидностей растения из Анд. Конечным результатом их работы может быть не только выведение сортов киноа с еще более высокой солеустойчивостью, но и скрещивание генов солеустойчивости с родственными культурными растениями, такими как сахарная свекла или шпинат.