Как стресс в раннем развитии влияет на качество семян

Здоровье взрослого растения зависит от того, как оно развивалось на ранних стадиях. В условиях растущих нагрузок — таких как нестабильные температурные режимы или необходимость производить больше продукции — устойчивость растений может снижаться.

Исследователи из лаборатории Брандицци, включая Сан-Джина Кима, изучают, как сделать растения более продуктивными и устойчивыми, чтобы решать задачи вроде обеспечения продовольствием растущего населения или производства устойчивых биотоплив.

В исследовании, опубликованном в журнале Planta, команда показала, что ранние стадии развития растения, когда формируются семена, — это период высокой нагрузки. Способность растения справляться с внутренними и внешними стрессами критически важна для будущей урожайности, а воздействие экстремальной жары в этот период может быть особенно вредным.

Защита растений для биотоплива

Многие питательные вещества и компоненты для биотоплив создаются белками, которые в клетках растений производятся в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) — крупных секреторных центрах.

Исследователей интересовали белки, производящие углеводы для новых семян у растений, перспективных для биотоплива, таких как сорго и просо прутьевидное. Чем больше углеводов удается "упаковать" в семя, тем выше будет урожай.

Как и у любого производственного центра, у ЭР есть механизм контроля — реакция на развёрнутые белки (UPR), которая активируется при возникновении проблем.

"Эндоплазматический ретикулум может производить дефектные белки по многим причинам, например, из-за высокой температуры окружающей среды или интенсивного синтеза белков на ранних стадиях развития растения", — поясняет Сан-Джин Ким. В таких случаях UPR снижает нагрузку на производство белков и даёт сигнал производить больше "качественных" белков.

Поскольку изменение климата ведёт к глобальному росту температур, растениям будет сложнее справляться с жарой. Сан-Джин изучил, как тепло влияет на развитие семян у сорго и проса прутьевидного, используя в качестве модельного организма их близкого родственника — брахиподиум, который проще изучать в лаборатории. Существование UPR у этих растений было подтверждено.

Растения брахиподиума подвергали различным стрессам: обработке искусственными химикатами и воздействию высоких температур (свыше 100°F / ~37.8°C), с которыми они могут столкнуться в природе. Оба воздействия вызывали у растений стресс и активировали защитный механизм UPR, вероятно, из-за начала производства дефектных белков.

Качество семян страдает от экстремальной жары

Ключевым открытием стало то, что экстремальная жара негативно влияет на развитие семян.

На ранних стадиях развития семян UPR активен постоянно, даже без обычных стрессовых факторов окружающей среды. Возможно, это связано с тем, что наполнение семян сахарами и другими питательными веществами требует огромного количества новых белков, и UPR включается как мера предосторожности или из-за повышенного уровня дефектов.

Когда молодые семена подвергались воздействию высоких температур, уже активный UPR не усиливался значительно. "Возможно, на этой стадии UPR работает на полную мощность и не может взять на себя дополнительную нагрузку".

Отдельно было отмечено, что тепловой стресс на ранних стадиях развития ухудшал качество семян. Команда обнаружила, что в семенах, подвергшихся тепловому стрессу, было меньше важного углевода MLG (смешанного звеньевого β-глюкана), потребляемого человеком и скотом. "Семена весили меньше, а гены, ответственные за производство этого углевода, были менее активны".

Пока неясно, связаны ли напрямую высокая активность UPR и питательное качество семян в процессе их развития, но Сан-Джин Ким подозревает, что это так.

"Что мы точно знаем, так это то, что качество семян снижается при воздействии экстремальной жары, что влияет на будущую урожайность". По мере изменения климата растениям может потребоваться помощь, чтобы оставаться сильными. А они, в свою очередь, понадобятся и нам.