Растения тоже страдают от стресса
Высокое содержание соли в почве вызывает сильный стресс у растений и снижает рост и урожайность сельскохозяйственных культур. Исследователи обнаружили специфические белки, которые позволяют растениям лучше расти в условиях солевого стресса, и это может помочь в выведении будущих поколений более солеустойчивых культур.
Профессор Стаффан Перссон, руководивший исследованием, отметил, что в отличие от людей, которые могут отказаться от солёной пищи или пить больше воды, растение закреплено в засоленной почве и должно использовать другие тактики.
«Всё больше культур в мире сталкиваются с солевым стрессом: засоление почв затрагивает 20% всех и 33% орошаемых сельскохозяйственных земель в мире», — сказал профессор Перссон из Мельбурнского университета (Австралия), ранее работавший в Институте молекулярной физиологии растений Макса Планка.
К 2050 году, по оценкам, производство продуктов питания необходимо увеличить на 70%, чтобы прокормить дополнительные 2,3 миллиарда человек. Засоление — главный ограничивающий фактор для этой цели, так как к 205 году более 50% пахотных земель могут пострадать от соли.
«Поэтому для сельского хозяйства крайне важно найти гены и механизмы, которые могут улучшить рост растений в таких условиях».
Команда идентифицировала семейство белков, помогающих растениям расти на засоленных почвах, и описала механизм их действия. Работа опубликована в журнале Cell.
«Растениям нужно создавать более крупные клетки и большее их количество, если они хотят расти и развиваться, — добавил профессор Перссон. — В отличие от животных, растительные клетки окружены клеточным экзоскелетом — клеточной стенкой, которая направляет рост и защищает от болезней. Большая часть биомассы растения состоит из клеточной стенки, основным компонентом которой является целлюлоза. Следовательно, рост растений во многом зависит от их способности производить клеточные стенки и целлюлозу, в том числе в условиях стресса».
Предыдущие исследования группы профессора Перссона и других показали, что комплекс белков, производящих целлюлозу (целлюлозосинтаза), взаимодействует с внутриклеточными полимерными структурами — микротрубочками, которые направляют его работу. Это взаимодействие важно для формы и стабильности растительных клеток.
Текущее исследование показало, что ранее неизвестное семейство белков поддерживает работу механизма целлюлозосинтазы в условиях солевого стресса. Эти белки были названы «Спутниками целлюлозосинтазы» (Companions of Cellulose synthase, CC). «Мы показали, что эти CC-белки являются частью комплекса целлюлозосинтазы во время синтеза целлюлозы», — сказал профессор Перссон.
Исследователи обнаружили, что активность генов CC повышалась, когда растения подвергались воздействию высоких концентраций соли. Это позволило выдвинуть гипотезу об их участии в солеустойчивости растений.
«Чтобы доказать это, мы удалили несколько генов семейства CC у модельного растения Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) и вырастили мутантные растения на солевой среде. Эти растения показали себя гораздо хуже, чем растения дикого типа», — объясняет Кристофер Кестен, аспирант и соавтор исследования.
«Создав флуоресцентные версии CC-белков, мы с помощью специального микроскопа увидели, где и как они функционируют. Неожиданным стало то, что они способны поддерживать организацию микротрубочек при солевом стрессе. Эта функция помогла растениям сохранить синтез целлюлозы в условиях стресса», — добавляет доктор Анне Эндлер, также соавтор исследования.
Группа показала, что в то время как контрольные растения сохраняли микротрубочки неповреждёнными, растения без активности CC-белков не могли этого сделать. Эта потеря функции микротрубочек привела к нарушению синтеза целлюлозы, что объяснило снижение роста растений на соли. Таким образом, результаты раскрывают механизм, с помощью которого CC-белки помогают производству биомассы в условиях солевого стресса.