Химическая подстройка может помочь растениям быстрее восстанавливаться после повреждений

Биологи нашли способ изменять защитные реакции растений для обеспечения более быстрого и длительного роста.

Отредактировано 2023-07-08
Лист растения кресс-салат показан с защитными функциями и регенерацией на черном фонеРастение кресс-салат, любимое в лабораторных экспериментах, было генетически изменено, чтобы регенерировать в течение более длительного времени.

Как могут подтвердить многие садоводы-любители, способность некоторых растений отращивать части себя просто поразительна. Отрезав часть стебля и поставив его в чашку с водой, можно получить совершенно новый овощ. Но на микробиологическом уровне ботаники обнаружили, что в ответ на такие срезы растения выбирают одну из двух реакций: регенерацию и защиту. В новом исследовании, опубликованном в журнале Developmental Cell, рассматривается вопрос о том, можно ли подтолкнуть флору к регенерации, а не к защите, чтобы способствовать быстрому росту.

Когда растению причиняется какой-либо вред, у него есть множество способов исправить ситуацию или защитить себя с помощью химических веществ, содержащихся в его организме. Но, как отмечают авторы исследования, эта реакция обычно чередуется. Например, отдельное растение может либо отрастить сломанную конечность, либо защищаться, вырабатывая токсины, отпугивающие животных.

Чтобы выяснить, происходят ли эти две реакции последовательно, или защита всегда предшествует регенерации, исследователи попытались изменить биологию растений в одну сторону. Изменяя химические реакции, они пытались растянуть время, в течение которого Arabidopsis thaliana и кукуруза будут сосредоточены на регенерации.

По словам Кеннета Бирнбаума, профессора биологии Нью-Йоркского университета и одного из авторов исследования, работа началась с нескольких главных вопросов. Как растение узнает, что оно повреждено? И какие ранние шаги связывают травму с регенерацией? Чтобы ответить на эти вопросы, его команда сосредоточила внимание на ДНК растения, чтобы увидеть, как она изменяется в первые несколько часов после травмы.

Сосредоточив внимание на двудольных растениях, имеющих два стебля, как арабидопсис, и однодольных, имеющих один стебель, как кукуруза, биологи смогли получить результаты для двух основных типов растений. Исследователи начали с арабидопсиса, или кресс-салата, который является твердым регенератором и популярным лабораторным инструментом для микробиологов (это было первое растение, у которого когда-либо был секвенирован весь геном). У него также тонкие, прозрачные, разветвленные корни, что облегчает анализ, говорит Ливен де Вейлдер, профессор биотехнологии растений в Гентском университете в Бельгии, который не принимал участия в исследовании.

Бирнбаум обнаружил, что белки, похожие на глутаматные рецепторы, начали усиливать защитные механизмы растений, как будто они готовились к битве, говорит он. Эти молекулы, аналогичные глутаматным рецепторам в человеческом мозге, воспринимают аминокислоты для метаболизма и других целей. Они также питают защитную систему растения, когда оно ранено.

Глутаматные рецепторы, подобные белкам в растениях, работают путем наводнения клеток кальцием, что побуждает маленькие рабочие лошадки действовать быстро, когда их защита нарушена патогенами, такими как бактерии или грибы. Хотя исследователи сначала думали, что кальций сигнализирует клеткам о необходимости начать регенерацию, они обнаружили, что на самом деле клеткам было приказано усилить защиту.

Бирнабаум говорит, что ранее они предполагали, что обе реакции неразрывно связаны друг с другом. Но, манипулируя рецепторами в этом исследовании, они обнаружили, что растения могут фактически разделять свои реакции.

Чтобы проверить это, авторы активировали рецепторы с помощью двух различных процессов. Один метод включал использование генетически манипулируемого рецептора, над которым работал Хосе Фейхо из Университета Мэриленда. Исследователи сравнили реакцию обычных растений на травму с образцами, у которых четыре гена глутаматного рецептора-подобного белка были изменены для подавления их реакции. В результате растения-"четверные мутанты" продемонстрировали увеличение регенерации.

Но работа с генетическими мутациями сопряжена со множеством неизвестных моментов, говорит Бирнбаум. Поэтому для подтверждения своих выводов команда использовала химическую обработку, адаптированную из нейробиологических исследований человека, чтобы подавить реакцию рецепторов растений.

Бирнбаум обнаружил, что, химически блокируя рецепторы, посылающие кальций, они смогли уменьшить защитную реакцию и увеличить реакцию регенерации на короткое время. У арабидопсиса и кукурузы время регенерации увеличилось вдвое. Успех регенерации измерялся такими тестами, как способность отращивать корни или структуру стволовых клеток, называемую каллусом.

Но самым большим испытанием было проверить, будет ли ингибирование рецепторов действовать как на монокоты, так и на двудольные. "К нашему удивлению, во многом они одинаково хорошо работали в обоих отделах", - говорит Бирнбаум. Для него это означает, что защитная сигнализация работает одинаково в разных сортах растений.

"Это своего рода наблюдение за тем, что сохраняется, скажем, между людьми и птицами", - отмечает он.

Теоретически, способность увеличивать регенерацию может быть использована для повышения устойчивости основных сельскохозяйственных культур к изменению климата. Поскольку значительная часть сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза или сахар, уже генетически модифицирована, это будет просто еще один способ изменить их, чтобы сделать более выносливыми, говорит Бирнбаум.

Проблема в том, что некоторые из наиболее важных культур, такие как кукуруза и сорго, сравнительно плохо восстанавливаются. Увеличение времени регенерации для этих растений позволит им лучше справляться с этой задачей, если они столкнутся с большим ущербом.

Де Вейлдер отмечает, что существует множество возможных причин, включая различия в составе клеток, из-за которых кукуруза может труднее регенерировать. В сравнении с деревьями, он говорит, что есть много видов, которые не могут восстанавливаться после ранений. Однако если ситуация изменится, люди смогут получить много преимуществ: увеличение биоразнообразия, более обильные урожаи, снижение уровня продовольственной безопасности и даже более эффективное улавливание углерода.

Однако де Вейлдер также предостерегает от поспешных выводов, особенно в плане экстраполяции этих результатов на другие виды культур. "Большинство людей только пытаются понять, какие компоненты нужны для инноваций", - говорит он. "Я думаю, что это все еще ранние дни. Люди сначала хотят получить набор инструментов, прежде чем приступать к выращиванию культур".