communist.ru

Рис. 1. Arabidopsis thaliana обычный (WT, wild type) и модифицированный, переведенный в режим экономии воды
(PYR1MANDI), после небольшой самодельной засухи. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

При недостатке воды растения выделяют фитогормон — абсцизовую кислоту (АБК), — который изменяет активность генов, переводя растение в режим экономии. Однако этот гормон дорог в получении и быстро разлагается. Ученые создали вариант рецептора, который вместо АБК активируется уже используемым в сельском хозяйстве химикатом, безвредным для человека. У растений с таким рецептором режим устойчивости к засухе можно включать при первой необходимости.

Растения чутко реагируют на недостаток воды: у них выделяется фитогормон под названием абсцизовая кислота (АБК), который изменяет активность генов, переводя растение в режим экономии воды. При этом у растения уменьшается просвет устьиц в листьях, благодаря чему оно теряет меньше воды за счет испарения.

Для сельского хозяйства было бы очень удобно поставить этот процесс под контроль, чтобы у ценных растений режим экономии воды можно было включать заблаговременно, еще до того, как растение начнет чувствовать влияние засухи. Самый простой, на первый взгляд, способ помочь растениям бороться с засухой — это опрыскивать их раствором абсцизовой кислоты. Однако синтез этого вещества обходится дорого, и, кроме того, оно довольно быстро разлагается.

Группе исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде и Висконсинского медицинского колледжа в Милуоки недавно это удалось найти другой «ключ», с помощью которого можно было бы запустить режим засухоустойчивости. Они обнаружили, что молекула вещества под названием хинабактин (quinabactin) тоже способна вводить растения в режим экономии воды (M. Okamoto et al., 2013. Activation of dimeric ABA receptors elicits guard cell closure, ABA-regulated gene expression, and drought tolerance). Однако этому соединению еще только предстоит пройти многочисленные проверки на безвредность.

Тогда ученые решили пойти по третьему пути получения контроля над водным режимом растений — сделать так, чтобы уже применяемые в сельском хозяйстве соединения, безопасность которых доказана, могли заодно запускать у растений и режим экономии воды (S. Park et al., 2015. Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors). Современная биоинженерия уже вполне позволяет реализовывать такие идеи. Они решили модифицировать белок-рецептор абсцизовой кислоты так, чтобы он связывался не с АБК, а с молекулой какого-то уже применяемого в сельском хозяйстве химиката. Для этого они получили набор видоизмененных рецепторов со всеми возможными заменами аминокислот в участке белка, который связывает молекулу абсцизовой кислоты. Некоторые из этих видоизмененных белков неплохо связывались с молекулами химикатов. Ученые также проверили, что видоизмененные рецепторы после связывания молекулы химиката способны запускать первую реакцию каскада, который переводит растение в режим экономии воды. В природе рецептор, связав молекулу кислоты, становится способен «отключить» белок, который мешает начаться каскаду реакций. Некоторые из модифицированных рецепторов тоже получали такую способность, после того как связывали молекулы некоторых химикатов.

Отобранные варианты рецепторов еще немного помодифицировали, получив в итоге вариант белка, который с хорошей эффективностью запускал режим экономии воды в ответ на связывание молекулы мандипропамида (Mandipropamid). Мандипропамид — вещество, которое активно используют в сельском хозяйстве для борьбы с грибковыми заболеваниями растений. Ученые получили рецепторы, которые с помощью мандипропамида могли запустить первый шаг каскада реакций, «включающих» режим экономии воды. («Дикий» вариант рецептора у растений тоже оставили, но в добавление к нему вставили ген модифицированного рецептора, который реагирует на мандипропамид, так что у растений осталась способность реагировать на засуху самостоятельно.) Теперь предстояло убедиться в том, что всё это сработает в реальных условиях.

Ученые ввели гены модифицированного рецептора, реагирующего на мандипропамид, в растения Arabidopsis thaliana — классический объект генетических экспериментов. Оказалось, что в таком модифицированном растении под действием мандипропамида запускается тот же набор генов, что и в «диких» растениях, обработанных абсцизовой кислотой. Требовалось проверить, будут ли у модифицированных растений под действием мандипропамида закрываться устьица.

Изменение просвета устьиц у растений детектируют интересным косвенным способом — по температуре листьев. Испарение воды через устьица снижает температуру листьев, а если устьица прикрываются, то испарение воды уменьшается, а температура листьев растет. Ученые убедились, что у полученных модифицированных растений при обработке мандипропамидом температура листьев повышается (рис. 2). Значит, мандипропамид уменьшал просвет устьиц на листьях — то есть заставлял растения экономить воду.

Рис. 2. Изменение температуры листьев, а значит, и испарения воды у растений Arabidopsis thaliana (a), а также у томатов (b). WT (wild type) — «дикие растения»; PYR1MANDI — растения с рецептором, запускающим режим экономии воды, активируемым мандипропамидом; +Mandi — растения, обработанные раствором химиката; Mock — не обработанные. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Оставалось проверить, действительно ли такие растения лучше переносят засуху. Для этого «дикие» растения, а также растения с модифицированным вариантом рецептора, откликающимся на мандипропамид, не поливали в течение 10–12 дней. Но перед началом такого испытания, а также на третий день их обработали раствором мандипропамида. После такой самодельной засухи растения, способные входить в режим экономии воды под действием мандипропамида, выглядели значительно лучше остальных (рис. 1). Таким образом, ученые добились своей цели. Они смогли установить контроль над водным режимом растения с помощью вещества, которое уже активно применяется в сельском хозяйстве.

Помимо Arabidopsis thaliana, в качестве примера полезного в хозяйстве растения, ученые также получили «управляемые» растения томатов, которые можно сделать устойчивыми к недостатку воды. В этой работе исследователям не только удалось «приручить» природную систему защиты растения от стресса, но и поставить ее под контроль молекул, также уже применяемых в сельском хозяйстве. В общем, возможности человека по исполнению своих замыслов продолжают расширяться.

Источники:

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.

Юлия Кондратенко