Японские генетики предложили повысить засухоустойчивость растений с помощью этанола. Они поливали резуховидки Таля слабым раствором спирта на протяжении трех дней и показали, что это помогло растениям пережить последующую трехнедельную засуху.
В ответ на спирт растение активирует синтез фитогормона стресса, абсцизовой кислоты, что помогает экономить воду и запасать часть спирта в виде углеводов и аминокислот, рассказывают ученые в Plant and Cell Physiology. Исследователи повторили часть экспериментов на рисе и пшенице, а также описали во второй статье, вышедшей в Plant Molecular Biology, аналогичные эксперименты на маниоке (Manihot esculenta) — для всех трех растений они получили схожие результаты.
Глобальные изменения климата сделали засухи еще более серьезной проблемой для растениеводства. Это особенно актуально при возделывании таких водоемких и чувствительных в засухам культур, как рис (например, из-за засух в южной Европе в 2022 году прогнозируют падение урожая риса в Италии почти на 15 процентов).
В общем виде регуляция растением водного обмена завязана на соотношение поглощения воды корнями, затрат воды на реакции световой фазы фотосинтеза и выделение жидкости через устьица и железки. Защита растений от стресса, связанного с обезвоживанием, должна действовать на эти звенья.
Этиловый спирт — известный неспецифический индуктор ответа растений на стресс. Он образуется в тканях высших растений, и его давно рассматривают как вещество, повышающее стрессоустойчивость растений. Важно, что спирт малотоксичен и дешев в производстве. Но механизмы, и генетическая основа эффекта еще мало изучены.
Генетики из Центра исследования устойчивого развития при институте RIKEN и университета Нагои под руководством Мотоаки Сэки (Motoaki Seki) решили изучить последствия обработки этанолом молодых растений разных видов и сопутствующие изменения транскриптома. С интервалом в полторы недели они опубликовали две статьи с описаниями результатов своих исследований на разных растениях. Основная часть экспериментов была проведена на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana, популярный модельный объект с коротким жизненным циклом и большим набором генетических линий), а часть результатов была воспроизведена на рисе, пшенице и маниоке.
Исследователи взяли 96 растений резуховидки возрастом 17 дней, на три дня перевели их на полив водой или раствором спирта одной из трех концентраций (0,23, 0,46 или 0,92 грамма на литр воды), после чего оставляли без полива на три недели. На всех этапах эксперимента у растений забирали части корня и побега, секвенировали их транскриптом и анализировали метаболом при помощи газовой хромато-масс-спектрометрии. Для того, чтобы понять, как распределяется спирт по растению, часть поливали раствором 13С-этанола и исследовали отдельные части растения 13C ЯМР-спектроскопией.
В результате спустя 21 день без полива выжило одно растение из 24 в группе воды, 8 в группе низкой концентрации спирта, 21 в группе средней и 18 в группе высокой концентрации (p < 0,05).
Побеги в группах спирта проигрывали в скорости роста контрольным на протяжении первых 10 дней, но затем росли быстрее, а их листья засыхали медленнее. После полива раствором этанола у растений уменьшалась площадь устьичных щелей и повышалась температура листьев. Глядя на фенотип растений, исследователи предположили, что дело в изменении активности абсцизовой кислоты.
Абсцизовая кислота (АБК) — один из центральных регуляторов адаптации растений к стрессу. Под ее действием растение начинает меньше испарять воды, замедляет рост побега и главного корня, снижает активность фотосинтеза. Помимо этого, АБК способствует преждевременному старению тканей. Кажется, что, повысив уровень АБК, можно неспецифически повысить устойчивость растений сразу ко многим факторам и сохранить урожай. Но проблема в том, польза от длительной активации сигнального пути АБК сопоставима с ее вредом, ведь снижение интенсивности фотосинтеза и замедление роста — это не то, что нужно сельскому хозяйству.
Вопреки ожиданиям, уровень АБК в корнях и побегах растений из основной и контрольной групп не различался. Тогда ученые повторили эксперимент с мутантными линиями. Оказалось, что и у растений с «выключенным» геном abi1, участвующем в сигнальном каскаде АБК, и у растений с неактивными алкогольдегидрогеназами устойчивость к засухе была такой же, как если бы их поливали водой. Это указало на то, что эффективность предложенной методики связана с расщеплением спирта и реализована через АБК.
Анализ транскриптома показал, что после полива и в первые три дня засухи у резуховидки повысилась активность генов, связанных с синтезом АБК и другого фитогормона стресса, жасмоновой кислоты, а также регулируемых ими транскрипционных факторов. В общей сложности на пике водного стресса изменилась экспрессия 1355 генов — выросла активность генов, связанных с синтезом фитогормонов, гликолизом, реакциями цикла Кребса, световыми реакциями фотосинтеза и с синтезом флавоноидов.
13C ЯМР-спектроскопия показала, что через сутки после полива 13C обнаруживается в корнях и побегах в составе углеводов, глицерина, субстратов цикла Кребса и ряда аминокислот. С учетом данных транскриптомики получается, что эти соединения были синтезированы из этанола при помощи глюконеогенеза. Анализ метаболома показал, что после наступления засухи растения накапливали аминокислоты и моно- и дисахариды в корнях и побегах.
Ученые задались вопросом: если действие этанола требует активности алкогольдегидрогеназы, то можно ли воспроизвести его, поливая растение метаболитами спирта — ацетальгегидом и уксусной кислотой? Оказалось, что уксусная кислота тоже повышает выживаемость, но с меньшей эффективностью. К тому же, она сильнее ингибировала рост растений. Доказав, что спирт повышает засухоустойчивость резуховидки, доктор Сэки с коллегами перешли на культурные растения.
Эксперименты с ростками риса и пшеницы ставили в несколько других условиях: пшеницу поливали 0,23-процентным этанолом, рис — 0,46-процентным (были проведены калибровочные эксперименты, показавшие, что у этих культур именно такие концентрации дают максимальный ответ). Как и в основном эксперименте, полив длился три дня, но срок депривации от воды составил лишь четверо суток, а вывод, живо ли растение, делали спустя месяц. В итоге засуху пережило 79 процентов растений риса (и ни одного в контрольной группе, p < 0,05), а выживаемость пшеницы выросла с 8 до 71 процента (p < 0,05).
В отдельной статье авторы опубликовали результаты эксперимента по обработке этанолом маниока (кассавы) — растения, имеющего большое хозяйственное значение для стран Африки и Юго-Восточной Азии. Отличие от предыдущих культур в том, что в маниоке человека интересует само растение (клубни и листья), а не плоды, что делает важным углеводный состав растения после эксперимента.
Растения поливали полу- или однопроцентным раствором спирта в течение пяти дней, а срок засухи составил шесть дней. Все 12 растений выжили, но после засухи в контрольной группе было больше сухих листьев, а сами растения содержали меньше воды. Уровень пероксида водорода в тканях обработанных этанолом растений после засухи был ниже, что указывает на более низкий уровень окислительного стресса. Как и в эксперименте на резуховидке, полив маниока раствором спирта повышал температуру листьев и понижал интенсивность транспирации и фотосинтеза. Уровни АБК и жасмоновой кислоты в растениях во время и после обработки спиртом не показывал какой-либо убедительной однонаправленной динамики.
Полив раствором этанола повысил экспрессию генов, связанных с сигнальным каскадом АБК, синтезом моно- и дисахаридов, белков теплового шока. После полива раствором спирта в листьях становилось больше крахмала и меньше сахарозы, чем в контрольной группе, но после шести дней засухи этот эффект пропал. Поскольку в исследовании использовали молодые растения с 9 листьями, то анализ состава клубней, представляющих максимальную ценность, не проводили.
Получается, кратковременный полив слабым раствором этанола усиливает сопротивляемость засухе. С одной стороны, этиловый спирт активирует сигнальные пути, повышающие стрессоустойчивость растений. С другой, замечают исследователи, использованные растения не запасают энергию в виде липидов, и накопление аминокислот и углеводов обеспечивает им запас энергии на случай, когда световые реакции фотосинтеза недоступны из-за недостатка воды. Авторы особо отмечают, что ни для одного исследованного растения не было убедительно показано долгосрочного усиления синтеза АБК на всех этапах эксперимента, которое могло бы снизить урожай злаков при применении метода на практике. Сочетание транскриптомных данных и экспериментов с мутантными растениями заставляет полагать, что уровень фитогормона, вероятно, меняется лишь в отдельных клетках, например, замыкающих клетках устьиц.
Ответ растений на стресс многогранен и порой бывает неожиданным. Например, мы рассказывали о том, что резуховидка настолько сурова, что может жить даже на лунном грунте (правда, живется ей плохо). Ответом растений на стресс пользуются и животные: когда шмелям не хватает пыльцы, они подгрызают листья растений, и те в ответ на инвазию цветут раньше.
Автор: Сергей Задворьев