Исследователи сталкиваются со сложностями в создании растений, устойчивых к изменению климата

Новое исследование биологов из LMU показывает, что не существует простых или универсальных решений для создания растений, способных справляться с вызовами, связанными с изменением климата.

Изменение климата означает для растений одно — повышенный уровень стресса. Более широкие колебания температур и усиление засушливости во многих регионах мира уже усложняют их жизнь. Растения — высоко сложные и чувствительные системы. Например, у них есть сложные клеточные механизмы, защищающие от повреждающего действия высоких интенсивностей света на фотосинтез. В одном из таких фотопротекторных процессов избыточная световая энергия рассеивается в виде тепла, прежде чем может повредить фотосинтетический аппарат. Это снижает урожайность, но отвечает интересам растения.

Ключевую роль в этом процессе адаптации играют три фермента, обозначаемые как V, P и Z. В статье 2016 года американская исследовательская группа сверхэкспрессировала гены этих трёх белков в растениях табака, увеличив количество ферментов в листьях. В полевых условиях эти линии "VPZ" росли быстрее, чем контрольные растения с нормальным уровнем ферментов.

Биологи LMU Антони Гарсия-Молина и Дарио Лейстер теперь провели по сути тот же эксперимент на модельном растении Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля). Их результаты опубликованы в журнале Nature Plants.

Результаты подтвердили, что, как и в случае с табаком, более высокие уровни V, P и Z снижают скорость фотосинтеза, но позволяют растениям быстрее (даже быстрее, чем табаку) адаптироваться к колебаниям уровня освещённости. Однако, что критически важно, линии Arabidopsis VPZ не росли быстрее контрольных растений. Напротив, сверхэкспрессия трёх ферментов привела к замедлению роста.

"Это ясно показывает, что создать лучше адаптированные растения не так просто, как уверенно предполагали некоторые исследовательские группы. На самом деле, более высокий уровень фотозащиты может мешать работе других механизмов, важных для роста растений", — отмечает Лейстер.

Эти данные демонстрируют, что целенаправленная адаптация растений для успешной настройки на меняющиеся климатические условия, вероятно, будет очень сложной задачей. Они показывают, что нельзя всегда ожидать повышения устойчивости к засухе или оптимизации урожайности при колеблющемся уровне освещённости просто за счёт регулирования уровня нескольких белков.

"Физиологические процессы в растениях тесно взаимосвязаны. Это делает невозможным предсказать эффекты от нажатия на тот или иной переключатель", — говорит он.

Это объясняет, почему он и его коллеги подходят к проблеме целенаправленной адаптации с позиций системной биологии, которая рассматривает вопрос "холистически". Например, попытки увеличить урожай или биомассу за счёт повышения эффективности фотосинтеза должны также гарантировать, что дополнительная доступная энергия действительно будет направлена на усиление роста. В принципе, улучшенная работа фотосинтеза должна приводить к захвату большего количества энергии и к более высоким уровням метаболитов. Но эта дополнительная энергия и обилие химических соединений должны быть использованы с пользой. При отсутствии "добавленной стоимости" повышенные скорости фотосинтеза могут оказаться вредными для растений.

Анализ таких сложных взаимосвязей — raison d'ètre Трансрегионального совместного исследовательского центра TR175, главным координатором которого является Лейстер. Учёные, участвующие в проекте, стремятся понять, как растения реагируют на биотические и абиотические факторы окружающей среды (засуха, уровень освещённости, температура), анализируя их влияние на концентрации всех измеряемых метаболитов, транскриптов и белков в растительных клетках.

"В контексте изменения климата идея состоит в том, чтобы помочь растениям адаптироваться к меняющимся условиям путём внесения целенаправленных генетических изменений, позволяющих им справляться с изменёнными параметрами окружающей среды", — объясняет Лейстер.

Исследователи называют эту стратегию "помогаемой эволюцией".

"Чтобы иметь реальный шанс найти устойчивые решения, мы должны принять системный подход к активной адаптации растений к изменяющимся условиям окружающей среды", — говорит он.

В этом отношении некоторый прогресс уже достигнут на некоторых видах водорослей с очень коротким временем генерации, что позволяет быстро обнаруживать случаи успешной адаптации. Такие системы могут затем служить источниками потенциально полезных генетических мутаций, которые можно ввести в зелёные растения.