Растение из Долины Смерти раскрыло план создания жароустойчивых культур
В калифорнийской Долине Смерти, где летние температуры регулярно превышают 120 градусов по Фаренгейту, жизнь кажется почти невозможной. Однако среди потрескавшейся земли и ослепляющего солнца одно местное растение не только выживает — оно процветает.
Это растение, Tidestromia oblongifolia, помогло учёным из Университета штата Мичиган понять, как жизнь может процветать в экстремальной жаре, раскрыв потенциальный план для создания сельскохозяйственных культур, способных адаптироваться к изменению климата.
В статье, опубликованной в Current Biology, профессор Seung Yon "Sue" Rhee и специалист по исследованиям Karine Prado сообщают, что T. oblongifolia растёт быстрее в летних условиях Долины Смерти, быстро адаптируя свою фотосинтетическую систему для выдерживания жары.
Рост, бросающий вызов жаре
Для Прадо исследование началось с простого, но жгучего вопроса: как это растение остаётся зелёным и сильным там, где большинство других завянет за считанные часы?
Когда они впервые привезли эти семена в лабораторию, им пришлось бороться, чтобы просто заставить их расти. Но как только им удалось воссоздать условия Долины Смерти в камерах для выращивания, растения "взлетели".
Используя специально построенные камеры для выращивания растений, Прадо и коллеги из лаборатории Ри в Институте устойчивости растений MSU воссоздали интенсивный свет и перепады температур реального лета в Долине Смерти.
Результат их поразил: T. oblongifolia утроила свою биомассу всего за 10 дней. Для сравнения, близкородственные виды, часто хвалящиеся своей термостойкостью, полностью прекращали рост.
Уже в течение двух дней воздействия экстремальной жары растение повысило свою зону комфорта для фотосинтеза, что позволило ему продолжать производить энергию. В течение двух недель его оптимальная температура для фотосинтеза достигла 45 градусов Цельсия (113 градусов по Фаренгейту), что выше, чем у любой известной основной сельскохозяйственной культуры.
"Это самое термостойкое растение из когда-либо задокументированных. Понимание того, как T. oblongifolia акклиматизируется к жаре, даёт нам новые стратегии, чтобы помочь культурам адаптироваться к потеплению планеты", — сказала Ри.
Внутри растения, созданного для экстрима
Сопоставив физиологические измерения с визуализацией в реальном времени и геномным анализом, исследователи обнаружили, что замечательная устойчивость T. oblongifolia обусловлена скоординированными изменениями на нескольких биологических уровнях.
В условиях жары, подобной Долине Смерти, митохондрии растения (энергопроизводящие органеллы) перемещаются ближе к хлоропластам, где происходит фотосинтез. Сами хлоропласты меняют форму, образуя характерные "чашевидные" структуры, ранее не встречавшиеся у высших растений. Возможно, это помогает более эффективно улавливать и перерабатывать углекислый газ, стабилизируя производство энергии в условиях стресса.
Тем временем, тысячи генов меняют свою активность в течение 24 часов. Многие из них участвуют в защите белков, мембран и фотосинтетического аппарата от теплового повреждения. Растение также увеличивает выработку ключевого фермента под названием Rubisco activase, который может помогать поддерживать бесперебойный фотосинтез при высоких температурах.
Модель для сельского хозяйства в более жарком мире
При прогнозируемом повышении глобальной температуры до 5 градусов Цельсия к концу века волны тепла уже снижают урожайность основных культур, таких как пшеница, кукуруза и соя. По мере роста населения мира учёные ищут способы увеличить производство продуктов питания.
"T. oblongifolia показывает нам, что растения обладают способностью адаптироваться к экстремальным температурам. Если мы сможем научиться воспроизводить эти механизмы в сельскохозяйственных культурах, это может преобразовать сельское хозяйство в более жарком мире", — сказала Ри.
Десятилетиями большая часть биологии растений была сосредоточена на модельных видах, которые легко выращивать, таких как Arabidopsis или сельскохозяйственные культуры, такие как рис и кукуруза. Но Ри утверждает, что экстремальные выживальщики, такие как T. oblongifolia, представляют собой новый рубеж для повышения устойчивости.
"Пустынные растения потратили миллионы лет на решение проблем, с которыми мы только начинаем сталкиваться. Наконец-то у нас есть инструменты, такие как геномика, высокоразрешающая визуализация в реальном времени и системная биология, чтобы учиться у них. Сейчас нам нужна более широкая поддержка для проведения такого рода исследований", — сказала она.
Её лаборатория уже применяет эти идеи, исследуя, как гены и клеточные структуры, обеспечивающие термостойкость T. oblongifolia, можно использовать для повышения устойчивости основных сельскохозяйственных культур.
"Это исследование не просто рассказывает нам, как одно пустынное растение побеждает жару. Оно даёт нам дорожную карту того, как все растения могут адаптироваться к изменяющемуся климату", — сказала Прадо.