Российские ученые обнаружили связь между двумя сигнальными системами, которые помогают растениям выжить в стрессовых ситуациях, запоминая опасные условия и подстраиваясь под них. Этот механизм памяти поможет улучшить сельскохозяйственные растения, делая их более устойчивыми к засухе, повышенной влажности, экстремальным температурам. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в журнале Trends in Plant Science.

Когда растение подвергается экстремальным температурам, испытывает недостаток или переизбыток воды, оно переживает стресс. Это вызывает ухудшение роста, что приводит к потере до половины урожая сельскохозяйственных культур во всем мире. Для защиты растения используют сигнальную систему стрессового гормона — абсцизовой кислоты (ABA), которая вырабатывает стрессоустойчивость к экстремальным ситуациям. Сигнальные системы играют важную роль у живых существ, воспринимая информацию из окружающей среды и подстраивая под нее процессы в организме.

Ученые предполагают, что система ABA связана с системой белков теплового шока HSP/шаперонов, которая при разных стрессах усиливает работу этих белков.

Биологи до сих пор не изучили взаимодействия и последовательность событий в этих сигнальных системах. В мировой науке не было работ, которые связывали бы два защитных механизма воедино, хотя понятно, что в природе они кооперируются. Считается, что открытия в этой области позволят совершить прорыв в биоинженерии сельскохозяйственных культур. В частности, они помогут преодолеть главную проблему сельского хозяйства — задержку роста и аномалии развития у стрессоустойчивых растений.

В ходе работы исследователи из Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН сотрудничали с тайваньскими коллегами. Коллектив планировал определить связь между сигнальными системами белков теплового шока и АВА. Для этого ученые использовали популярное модельное растение — арабидопсис. Оно может пройти полный цикл развития всего за шесть недель, что позволяет ускорить эксперименты.

— Ранее нами была получена карта белок-белковых взаимодействий арабидопсиса. Сейчас мы проанализировали ее и выяснили, что единственные факторы, связывающие обе системы, — это белки SWI/SNF CRCs, которые участвуют в формировании эффекта «память к стрессам», — рассказал один из авторов статьи Виктор Булгаков, руководитель проекта, доктор биологических наук, главный научный сотрудник ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН.

Эффект «памяти к стрессам» — это основной механизм защиты растений: они «запоминают» пережитые экстремальные условия и становятся устойчивее к ним. Сначала системы сигнализации белков теплового шока и АВА воспринимают полученную информацию о стрессах, а потом белки SWI/SNF CRCs сохраняют ее, меняя структуру хроматина — комплекса белок — ДНК. В результате растения приобретают стрессоустойчивость к тем условиям, в которых уже находились. Изученный механизм стал точкой отсчета для новых биоинженерных технологий, которые ученые назвали «биоинженерией памяти».

Фотографии из экспедиций из личного архива Викт...

Фотографии из экспедиций из личного архива Виктора Булгакова

В ходе исследования авторы также систематизировали большой массив информации и установили, что при создании сигнальных путей ABA и HSP/шаперонов нужно учитывать состояние и изменение памяти растений к предыдущему стрессу. Например, у риса есть механизм памяти, отвечающий за долговременную термостойкость и связанный с системой белков теплового шока. Он развивался постепенно во время колонизации растений, причем в разных регионах по-разному, в зависимости от температуры. Поэтому у китайских и индийских подвидов риса механизм отличается по степени проявления.

Фотографии из экспедиций из личного архива Викт...

Фотографии из экспедиций из личного архива Виктора Булгакова

В дальнейшем ученые планируют перейти от модельного арабидопсиса к сельскохозяйственным культурам.

Они отмечают, что для каждой страны задачи по «доработке» растений различаются.

— На Дальнем Востоке России наиболее популярны такие культуры, как рис, соя и кукуруза. Важно повысить их устойчивость к холоду и недостатку влаги. На Тайване нужны работы по развитию устойчивости растений к жаре и засухе; эта проблема сейчас вообще самая актуальная в мире. Новые подходы в рамках «биоинженерии памяти» способны помочь в решении и той, и другой задачи, — заключил Виктор Булгаков.

Фотографии из экспедиций из личного архива Викт...

Фотографии из экспедиций из личного архива Виктора Булгакова

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Национального Тайваньского университета.