«Все до сих пор подходы к выведению солеустойчивых растений должны рассматриваться в большей или меньшей степени как неудачные», — говорит профессор Райнер Хедрих, ученый-растениевод из Университета Юлиуса Максимилиана (JMU) Вюрцбург в Баварии, Германия. Все они были направлены на выращивание сельскохозяйственных культур на засоленных почвах и выявление солеустойчивых породных линий.
Но такой подход не работает.И это не просто так: «Наши культурные растения являются результатом многих лет селекции. За это время человек защитил их почти от всех негативных воздействий окружающей среды, так что они потеряли большую часть своей естественной устойчивости», — объясняет Хедрих. . «Как только эти элитные линии соприкасаются с слишком большим количеством соли, они обычно умирают».Солеустойчивые растения служат образцом
Поэтому Райнер Хедрих вместе с профессором Сергеем Шабала (Университет Тасмании) приступили к разработке новой стратегии. Двое ученых сделали ставку на растения, которые обладают естественной солеустойчивостью.
Одно из таких растений — лебеда (Chenopodium quinoa). Он происходит из Анд, где он использовался в пищу в течение 7000 лет. Тем временем семена этого южноамериканского псевдозлака, не содержащие глютена и богатые витаминами, попали на полки европейских супермаркетов.
Растение поглощает соль из почвы и накапливает ее в виде пузырчатых ячеек на поверхности своих листьев. Это защищает чувствительные к соли обменные процессы, и растение может хорошо расти даже на засоленных почвах.Без клеток мочевого пузыря киноа страдает солевым стрессомИсследователи нашли простой способ доказать, что именно клетки мочевого пузыря обеспечивают устойчивость растений к соли. «Всего несколько легких движений кисти по листу киноа заставляют клетки мочевого пузыря опадать», — говорит профессор Шабала.
Лишенные соляных пузырей, эти растения растут на незасоленных почвах так же хорошо, как и нечесанные экземпляры. Но воздействие поваренной соли значительно замедляет их рост.
Круглые или овальные клетки мочевого пузыря киноа имеют диаметр почти полмиллиметра. Они настоящие гиганты в царстве растений, и их обычно можно увидеть даже невооруженным глазом. Их емкость до 1000 раз выше, чем у любой нормальной клетки поверхности листа.Цена утилизации соли — сахар
Чтобы получить представление об «операционной системе» киноа и ее клеток мочевого пузыря, рабочая группа профессора Цзянь-Кан Чжу (Шанхайский университет) расшифровала ДНК злаков Анд. Затем группа профессора Хедриха сравнила активные гены листьев и клеток мочевого пузыря.
Необходимые биоинформатические анализы были выполнены экспертами из Шанхайского университета и командой Георга Хаберера из Мюнхенского центра им. Гельмгольца.
Результат: даже без солевой обработки в клетках мочевого пузыря работают гены, которые у других видов активны только тогда, когда растение находится в состоянии стресса. К ним относятся переносчики, переносящие ионы натрия и хлора в клетку мочевого пузыря. Стимуляция солью запускает активацию других генов, необходимых для поддержания сигнального пути гормона стресса ABA.Хранение соли требует энергии.
Эта энергия вырабатывается клетками мочевого пузыря из молекул сахара, которые они специально импортируют из листьев для этой цели. Клетки мочевого пузыря получают необходимую энергию от листа и взаимодействуют, поглощая токсичную соль », — объясняет Хедрих.Скрещивание солеустойчивости с культурными растениямиНовые результаты были опубликованы в журнале Cell Reports.
Их предполагается использовать в долгосрочной перспективе для выращивания солеустойчивых растений. «Первый шаг сделан», — говорит профессор Хедрих. «Теперь мы будем использовать комбинацию генетики развития и функционального анализа белков солевого транспорта, чтобы понять молекулярные механизмы, которые создают и поддерживают солевую толерантность квиноа».Исследовательская группа JMU хочет учиться у линий киноа, оборудованных очень большим или очень небольшим количеством солевых пузырей.
Здесь есть большой бассейн: на сегодняшний день известно около 2000 диких и культурных сортов растений Анд. Конечным результатом их работы могло бы стать не только выведение сортов киноа с еще более высокой солеустойчивостью, но и скрещивание генов солеустойчивости с родственными культурными растениями, такими как сахарная свекла или шпинат.