По меньшей мере, 40% потерь урожая во всем мире происходят из-за засухи, а сильное изменение климата еще больше увеличивает этот процент. Понимание клеточных реакций на стресс по причине засухи – это первый шаг на пути к разработке более адаптированных культур, что является настоящим вызовом для специалистов в области биотехнологии растений.
Адаптацию к стрессу, вызванного засухой, связывали с наличием белков, которые защищают клетки от обезвоживания, таких как белки позднего эмбриогенеза (LEA-белки), осмопротекторы и ферменты детоксикации. Эти исследования дали глубокое понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе абиотического стресса, и показали, что засухоустойчивость представляет собой сложный абиотический признак, который одновременно контролируется многими генами.
Хотя исследования с использованием генетического подхода преуспели в придании растениям стрессоустойчивости, это обычно происходит за счет снижения роста. Таким образом, понимание того, как клеточный рост связан с реакциями стресса в результате засухи, необходимо для создания растений с улучшенным ростом в неорошаемых условиях выращивания.
Рецептор-подобные киназы (LRRs) играют важную роль в оптимизации реакции растений на стресс. Брассиностероидные гормоны (BR) непосредственно 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 или носящий экологический характер, вопрос, какую именно роль выполняют брассины в условиях стресса, остается спорным. В то время как экзогенное применение брассиностероидов и гиперэкспрессия брассиностероидного биосинтетического фермента DWF4 обеспечивают растения повышенной адаптацией к вызванному засухой стрессу, подавление рецептора BRI1 также приводит к засухоустойчивым фенотипам.
В последнее время больше внимания уделялось пространственной регуляции гормональных сигнальных путей, что позволило бы лучше понять координацию роста растений и стрессовых реакций. Например, хотя рецептор BRI1 широко локализован во многих тканях, гомологи рецептора BRI1: BRL1 и BRL3 подают сигналы от самых внутренних тканей растения и тем самым способствуют развитию сосудов.
Несмотря на то, что BRI1 является главным участником в росте растений и адаптации к абиотическому стрессу, изучение функциональной значимости BRL1 и BRL3 все еще на начальных стадиях. Например, используемый ранее протеомный анализ показал наличие в сигнальных комплексах BRL3 абиотических стресс-связанных белков, но точная роль сигнального пути BRL3 в условиях засухи остается неясной.
Совместное исследование, проведенное учеными из Испании, Японии, Германии, США и других стран, показало, что ингибирование или гиперэкспрессирование различных 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, тесно связаны с остановкой роста, было обнаружено, что чрезмерное экспрессирование рецепторов BRL3, отвечающих за функциональность сосудов, может привести к засухоустойчивости, при этом не провоцируя блокировку роста растения.
Детальная информация об исследовании:
Материалом для эксперимента стали геномы наиболее популярного в генетической, молекулярной и клеточной биологии растения резуховидки Таля или арабидопсиса (Arabidopsis thaliana).
После стерилизации и яровизации семена выращивались в агаре половинной концентрации с витаминами, но без сахарозы. Световой режим выбран в последовательности 8 ч темноты и 16 ч света, исследование проводилось при температуре +22°C и относительной влажности 60%.
Использовались следующие 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 ходе исследования применялись следующие методы: 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 методы и интеграция данных геномики, протеомики, метаболомики; физиологические параметры и флуоресценция хлорофилла; количественная оценка растительных гормонов.
Исследование показало, что семейство рецепторов BR, помимо улучшения роста, стимулирует фенотипическую адаптацию к засухе, воздействуя на множество признаков, связанных со стрессом в результате засухи. Ученые предполагают, что это достигается посредством транскрипционного контроля метаболических путей, продуктами которых являются осмозащитные метаболиты, накапливающиеся в корнях.
В то время, как проведенные ранее исследования показывали, что в ответ на генотоксический стресс пространственная передача сигналов BR способствует пополнению стволовых клеток, в данном эксперименте было обнаружено, что эктопическая экспрессия рецепторов BRL3 локально в проводящей сосудистой системе может способствовать росту во время засухи.
Гиперэкспрессия BRL3 обеспечивает устойчивость к засухе.
Схематическое представление уровней передачи сигналов BR, размера взрослого растения и устойчивости к засухе. Мутанты с потерей функции пассивно избегают стресса (избегание засухи), тогда как растения с повышенным уровнем BRL3 действуют активно, чтобы избежать стресса, вызванного засухой (толерантность).
Поскольку гидротропизм корней являет собой основной признак в адаптации к окружающей среде с дефицитом воды, проведенное исследование также включало в себя тесты на определение способности корней избегать искусственно вызванный осмотический стресс путем искривления кончика корня по направлению к доступной водосодержащей среде.
Гиперэкспрессия рецептора BRL3 способствует гидротропизму корней.
Искривление корней (гидротропическая реакция) в 7-дневных корнях через 24 часа после индуцированного сорбитом осмотического стресса (270 мМ). Масштабная полоска: 0,2 см.
Матрица реакций растений на стресс во всех физиологических анализах, проводимых на корнях и побегах WT (дикого типа), мутантов с потерей функции BR и BRL3ox (с гиперэкспрессией BRL3). Рост корней в условиях контроля выделен зеленым цветом. Сине-красная цветная полоса отображает значения для масштабированных данных.
Локализация нативного белка BRL3 в клетках флоэмы и метаболическая сигнатура, обнаруженная в растениях с гиперэкспрессией BRL3 (BRL3ox), говорят о возможном влиянии рецептора на нагрузку флоэмы в результате засухи.
Изыскания показали, что гиперэкспрессия BRL3, кроме контроля экспрессии в проводящих тканях, также регулирует ферменты в других локациях, отвечающие за сигналы в ходе обмена веществ и реагирования на стресс, такие как гексокиназы, сахарозосинтазы и гены пролиндегидрогеназы.
Данные, полученные в результате исследования, также свидетельствуют о том, что растения BRL3ox накапливают сахара в тканях подземной части растений, что позволяет их корням расти и находить воду в почве, таким образом способствуя защите от пагубного влияния засухи.
Итак, определение профиля метаболитов показало, что гиперэкспрессия рецептора BRL3 вызывает выработку в растении таких органических соединений с осмопротекторной функцией как пролин, трегалоза, сахароза, олигосахариды семьи рафинозы и др., а также необычайно активное накопление в корнях метаболитов-осмопротекторов в периоды засухи.
Последующее транскриптомическое профилирование показало, что эта сигнатура метаболита транскрипционно регулируется путем BRL3, реагируя на засуху. Обогащение дерегулированных генов в корневых сосудистых тканях, особенно во флоэме, также способствует преимущественному накоплению в корнях метаболитов-осмопротекторов.
В целом, это исследование показало, что гиперэкспрессия рецептора BRL3 повышает накопление в корнях осмозащитных метаболитов, устраняя связанную с засухой проблему остановки роста, тем самым определяя стратегию защиты культур от засухи.
По материалам статьи Overexpression of the vascular brassinosteroid receptor BRL3 confers drought resistance without penalizing plant growth.
Поділитись в соцмережах:
