Ученые увеличили засухоустойчивость растений с сохранением их роста

Само мало, 40% утрат урожая в мире происходят из-за засухи, а сильное изменение климата еще более наращивает этот процент. Осознание клеточных реакций на стресс из-за засухи – это 1-ый шаг на пути к разработке более приспособленных культур, что является реальным вызовом для профессионалов в области биотехнологии растений. Адаптацию к стрессу, вызванного засухой, связывали с наличием белков, которые защищают клеточки от обезвоживания, таких как белки позднего эмбриогенеза (LEA-белки), осмопротекторы и ферменты детоксикации. Эти исследования дали глубочайшее осознание молекулярных устройств, лежащих в базе абиотического стресса, и проявили, что засухоустойчивость представляет собой непростой абиотический признак, который сразу контролируется многими генами. Хотя исследования с внедрением генетического подхода преуспели в придании растениям стрессоустойчивости, это обычно происходит за счет понижения роста. Таким макаром, осознание того, как клеточный рост связан с реакциями стресса в итоге засухи, нужно для создания растений с усовершенствованным ростом в неорошаемых критериях выкармливания. Рецептор-подобные киназы (LRRs) играют важную роль в оптимизации реакции растений на стресс. Брассиностероидные гормоны (BR) конкретно связываются на поверхности плазматической мембраны с элементами семейства BR-INSENSITIVE 1 (BRI1) с обогащенными остатками лейцитина LRR-повторами (LRR) –RLK. Хотя брассиностероиды модулируют несколько реакций на стресс растений, возникающий в процессе развития либо носящий экологический нрав, вопрос, какую конкретно роль делают брассины в критериях стресса, остается спорным. В то время как экзогенное применение брассиностероидов и гиперэкспрессия брассиностероидного биосинтетического фермента DWF4 обеспечивают растения завышенной адаптацией к вызванному засухой стрессу, угнетение сенсора BRI1 также приводит к засухоустойчивым фенотипам. В ближайшее время больше внимания уделялось пространственной регуляции гормональных сигнальных путей, что позволило бы лучше осознать координацию роста растений и стрессовых реакций. К примеру, хотя сенсор BRI1 обширно локализован в почти всех тканях, гомологи сенсора BRI1: BRL1 и BRL3 подают сигналы от самых внутренних тканей растения и тем содействуют развитию сосудов. Невзирая на то, что BRI1 является основным участником в росте растений и адаптации к абиотическому стрессу, исследование многофункциональной значимости BRL1 и BRL3 все еще на исходных стадиях. К примеру, применяемый ранее протеомный анализ показал наличие в сигнальных комплексах BRL3 абиотических стресс-связанных белков, но четкая роль сигнального пути BRL3 в критериях засухи остается неясной. Совместное исследование, проведенное учеными из Испании, Стране восходящего солнца, Германии, США и других государств, показало, что ингибирование либо гиперэкспрессирование разных BR-рецепторов приводит к модулированию как в корнях, так и в побегах множественных признаков, связанных с засухой. Хотя признаки, за которые отвечает сигнальный путь BRI1, плотно сплетены с остановкой роста, было найдено, что чрезмерное экспрессирование рецепторов BRL3, отвечающих за функциональность сосудов, может привести к засухоустойчивости, при всем этом не провоцируя блокировку роста растения. Детальная информация об исследовании: Материалом для опыта стали геномы более пользующегося популярностью в генетической, молекулярной и клеточной биологии растения резуховидки Таля либо арабидопсиса (Arabidopsis thaliana). После стерилизации и яровизации семечки выращивались в агаре половинной концентрации с витаминами, но без сахарозы. Световой режим избран в последовательности 8 ч мглы и 16 ч света, исследование проводилось при температуре 22 °C и относительной влажности 60%. Использовались последующие генотипы: Columbia-0 WT (Col-0 WT), brl1-1brl3-1 (brl1brl3), bak1-3 (bak1), bri1-301 (bri1), bri1-301brl1-1brl3-1 (bri1brl1brl3), bri1-301bak1-3brl1-1brl3-1 (квадруплет) и 35S:BRL3-GFP (BRL3ox – растения с гиперэкспрессией BRL3). В процессе исследования применялись последующие способы: анализ чувствительности корней к брассинолиду (BL) и сорбитолу; корневой гидротропизм; провоцирование стресса, вызванного засухой для оценки выживаемости растений; анализ метаболического профилирования; анализ транскрипционного профилирования; статистические способы и интеграция данных геномики, протеомики, метаболомики; физиологические характеристики и флуоресценция хлорофилла; количественная оценка растительных гормонов.

Исследование показало, что семейство рецепторов BR, кроме улучшения роста, провоцирует фенотипическую адаптацию к засухе, воздействуя на огромное количество признаков, связанных со стрессом в итоге засухи. Ученые подразумевают, что это достигается средством транскрипционного контроля метаболических путей, продуктами которых являются осмозащитные метаболиты, накапливающиеся в корнях. В то время как проведенные ранее исследования демонстрировали, что в ответ на генотоксический стресс пространственная передача сигналов BR содействует пополнению стволовых клеток, в данном опыте было найдено, что эктопическая экспрессия рецепторов BRL3 локально в проводящей сосудистой системе может содействовать росту во время засухи.

Гиперэкспрессия BRL3 обеспечивает устойчивость к засухе.

Схематическое представление уровней передачи сигналов BR, размера взрослого растения и стойкости к засухе. Мутанты с потерей функции пассивно избегают стресса (избегание засухи), тогда как растения с завышенным уровнем BRL3 действуют интенсивно, чтоб избежать стресса, вызванного засухой (толерантность) Так как гидротропизм корней являет собой основной признак в адаптации к окружающей среде с недостатком воды, проведенное исследование также включало в себя испытания на определение возможности корней избегать искусственно вызванный осмотический стресс методом искривления кончика корня по направлению к доступной водосодержащей среде.

Искривление корней (гидротропическая реакция) в 7-дневных корнях через 24 часа после индуцированного сорбитом осмотического стресса (270 мМ). Масштабная полоса: 0,2 см.

Матрица реакций растений на стресс во всех физиологических анализах, проводимых на корнях и побегах WT (одичавшего типа), мутантов с потерей функции BR и BRL3ox (с гиперэкспрессией BRL3). Рост корней в критериях контроля выделен зеленоватым цветом. Сине-красная цветная полоса показывает значения для масштабированных данных.

Локализация нативного белка BRL3 в клеточках флоэмы и метаболическая сигнатура, обнаруженная в растениях с гиперэкспрессией BRL3 (BRL3ox), молвят о вероятном воздействии сенсора на нагрузку флоэмы в итоге засухи. Изыскания проявили, что гиперэкспрессия BRL3 не считая контроля экспрессии в проводящих тканях также регулирует ферменты в других локациях, отвечающие за сигналы в процессе обмена веществ и реагирования на стресс, такие как гексокиназы, сахарозосинтазы и гены пролиндегидрогеназы. Данные, приобретенные в итоге исследования, также свидетельствуют о том, что растения BRL3ox копят сахара в тканях подземной части растений, что позволяет их корням расти и отыскивать воду в почве, таким макаром содействуя защите от губительного воздействия засухи. Итак, определение профиля метаболитов показало, что гиперэкспрессия сенсора BRL3 вызывает выработку в растении таких органических соединений с осмопротекторной функцией как пролин, трегалоза, сахароза, олигосахариды семьи рафинозы и др., также необыкновенно активное скопление в корнях метаболитов-осмопротекторов в периоды засухи. Следующее транскриптомическое профилирование показало, что эта сигнатура метаболита транскрипционно регулируется методом BRL3, реагируя на засуху. Обогащение дерегулированных генов в корневых сосудистых тканях, в особенности во флоэме, также содействует преимущественному скоплению в корнях метаболитов-осмопротекторов. В целом, это исследование показало, что гиперэкспрессия сенсора BRL3 увеличивает скопление в корнях осмозащитных метаболитов, устраняя связанную с засухой делему остановки роста, тем определяя стратегию защиты культур от засухи. По материалам статьи Overexpression of the vascular brassinosteroid receptor BRL3 confers drought resistance without penalizing plant growth.