Ученые увеличили засухоустойчивость растений с сохранением их роста

Просмотры: 472
21.12.2018

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.



Арабидопсис

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.


ustoichvost_k_zasuche.JPG

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.


gidrotropism_kornej.JPG

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.

matritsa_reaktsyj_na_stress.JPG

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.



Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений