Отримано рослини, у яких можна "вмикати" режим стійкості до посухи • Юлія Кондратенко • Новини науки на "Елементи" • Біотехнології, Ботаніка, Генетика

Отримано рослини, у яких можна “вмикати” режим стійкості до посухи

Мал. 1. Arabidopsis thaliana звичайний (WT, wild type) і модифікований, перекладений в режим економії води (PYR1MANDI), Після невеликої саморобної посухи. Зображення з обговорюваної статті вNature

При нестачі води рослини виділяють фітогормони – абсцизової кислоту (АБК), – який змінює активність генів, переводячи рослина в режим економії. Однак цей гормон доріг в отриманні і швидко розкладається. Вчені створили варіант рецептора, який замість АБК активується вже використовуваним в сільському господарстві хімікатом, нешкідливим для людини. У рослин з таким рецептором режим стійкості до посухи можна включати при першій необхідності.

Рослини чуйно реагують на недолік води: у них виділяється фітогормони під назвою абсцизовая кислота (АБК), який змінює активність генів, переводячи рослина в режим економії води. При цьому у рослини зменшується просвіт устьиц в листі, завдяки чому воно втрачає менше води за рахунок випаровування.

Для сільського господарства було б дуже зручно поставити цей процес під контроль, щоб у цінних рослин режим економії води можна було включати завчасно, ще до того, як рослина почне відчувати вплив посухи.Найпростіший, на перший погляд, спосіб допомогти рослинам боротися з посухою – це обприскувати їх розчином абсцизовой кислоти. Однак синтез цієї речовини обходиться дорого, і, крім того, воно досить швидко розкладається.

Групі дослідників з Каліфорнійського університету в Ріверсайді і Вісконсинського медичного коледжу в Мілуокі недавно це вдалося знайти інший "ключ", за допомогою якого можна було б запустити режим посухостійкості. Вони виявили, що молекула речовини під назвою хінабактін (quinabactin) теж здатна вводити рослини в режим економії води (M. Okamoto et al., 2013. Activation of dimeric ABA receptors elicits guard cell closure, ABA-regulated gene expression, and drought tolerance) . Однак цьому з'єднанню ще тільки належить пройти численні перевірки на нешкідливість.

Тоді вчені вирішили піти третім шляхом отримання контролю над водним режимом рослин – зробити так, щоб вже застосовуються в сільському господарстві з'єднання, безпеку яких доведена, могли заодно запускати у рослин і режим економії води (S. Park et al., 2015. Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors). Сучасна біоінженерія вже цілком дозволяє реалізовувати такі ідеї. Вони вирішили модифікувати білок-рецептор абсцизовой кислоти так, щоб він зв'язувався ні з АБК, а з молекулою якогось вже застосовуваного в сільському господарстві хімікату.Для цього вони отримали набір видозмінених рецепторів з усіма можливими замінами амінокислот в ділянці білка, який зв'язує молекулу абсцизовой кислоти. Деякі з цих видозмінених білків непогано зв'язувалися з молекулами хімікатів. Вчені також перевірили, що видозмінені рецептори після зв'язування молекули хімікату здатні запускати першу реакцію каскаду, який переводить рослина в режим економії води. У природі рецептор, зв'язавши молекулу кислоти, стає здатний "відключити" білок, який заважає початися каскаду реакцій. Деякі з модифікованих рецепторів теж отримували таку здатність, після того як пов'язували молекули деяких хімікатів.

Відібрані варіанти рецепторів ще трохи помодіфіціровалі, отримавши в підсумку варіант білка, який з гарною ефективністю запускав режим економії води у відповідь на зв'язування молекули мандіпропаміда (Mandipropamid). Мандіпропамід – речовина, яка активно використовують в сільському господарстві для боротьби з грибковими захворюваннями рослин. Вчені отримали рецептори, які за допомогою мандіпропаміда могли запустити перший крок каскаду реакцій, "що включають" режим економії води.( "Дикий" варіант рецептора у рослин теж залишили, але на додаток до нього вставили ген модифікованого рецептора, який реагує на мандіпропамід, так що у рослин залишилася здатність реагувати на посуху самостійно.) Тепер треба було переконатися в тому, що все це спрацює в реальних умовах.

Вчені ввели гени модифікованого рецептора, що реагує на мандіпропамід, в рослини Arabidopsis thaliana – класичний об'єкт генетичних експериментів. Виявилося, що в такому модифікованому рослині під дією мандіпропаміда запускається той же набір генів, що і в "диких" рослинах, оброблених абсцизовой кислотою. Було потрібно перевірити, чи будуть у модифікованих рослин під дією мандіпропаміда закриватися продихи.

Зміна просвіту устьиц у рослин детектируют цікавим непрямим способом – по температурі листя. Випаровування води через продихи знижує температуру листя, а якщо продихи прикриваються, то випаровування води зменшується, а температура листя зростає. Вчені переконалися, що у отриманих модифікованих рослин при обробці мандіпропамідом температура листя підвищується (рис. 2). Значить, мандіпропамід зменшував просвіт устьиц на листках – тобто змушував рослини економити воду.

Мал. 2. Зміна температури листя, а значить, і випаровування води у рослин Arabidopsis thaliana (a), А також у томатів (b). WT (wild type) – «дикі рослини»; PYR1MANDI – рослини з рецептором, що запускає режим економії води, активуються мандіпропамідом; + Mandi – рослини, оброблені розчином хімікату; Mock – не оброблені. Зображення з обговорюваної статті в Nature

Залишалося перевірити, чи дійсно такі рослини краще переносять посуху. Для цього "дикі" рослини, а також рослини з модифікованим варіантом рецептора, відгукується на мандіпропамід, що не поливали протягом 10-12 днів. Але перед початком такого випробування, а також на третій день їх обробили розчином мандіпропаміда. Після такої саморобної посухи рослини, здатні входити в режим економії води під дією мандіпропаміда, виглядали значно краще за інших (рис. 1). Таким чином, вчені домоглися своєї мети. Вони змогли встановити контроль над водним режимом рослини за допомогою речовини, яке вже активно застосовується в сільському господарстві.

Крім Arabidopsis thaliana, Як приклад корисного в господарстві рослини, вчені також отримали "керовані" рослини томатів, які можна зробити стійкими до нестачі води.У цій роботі дослідникам не тільки вдалося «приручити» природну систему захисту рослини від стресу, а й поставити її під контроль молекул, також вже застосовуються в сільському господарстві. Загалом, можливості людини по виконанню своїх задумів продовжують розширюватися.

джерела:
1) Masanori Okamoto, Francis C. Peterson, Andrew Defries, Sang-Youl Park, Akira Endo, Eiji Nambara, Brian F. Volkman, and Sean R. Cutler. Activation of dimeric ABA receptors elicits guard cell closure, ABA-regulated gene expression, and drought tolerance // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013. V. 110. P. 12132-12137.
2) Sang-Youl Park, Francis C. Peterson, Assaf Mosquna, Jin Yao, Brian F. Volkman & Sean R. Cutler. Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors // Nature. Published online 04 February 2015. Doi: 10.1038 / nature14123.

Юлія Кондратенко


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: