Молекулярные биологи сделали растения устойчивыми к засухе

Модель белка-рецептора и сельскохозяйственного химиката (жёлтый). Синие и серые части белка были изменены, чтобы связываться с новым веществом

(фото Sang-Youl Park, UC Riverside).

Листья растений, которые испаряют воду, также остывают (синий цвет)

(фото Sang-Youl Park, UC Riverside).

Устьица трансгенных растений закрыты, испарение не происходит и температура листьев не снижается (оранжевый цвет)

(фото Sean Cutler, UC Riverside).

Люди начали заниматься земледелием тысячи лет назад и практически сразу, сами того не зная, стали селекционерами. Сначала фермеры просто использовали для посева наиболее крупные семена. Затем для увеличения урожая стали отбирать растения с наиболее впечатляющими внешними признаками.

Но лишь после открытия закономерностей наследования тех или иных признаков человек стал с помощью гибридизации целенаправленно выводить новые сорта с желанными свойствами.

Настоящая революция произошла в этой области с появлением технологий генной инженерии. Теперь вместо того, чтобы годами проводить селекционные работы в надежде на случайный успех, можно "вставить" в ДНК гены, определяющие нужный признак. Кроме того, с помощью современных методов стало возможным "добавление" совершенно немыслимых признаков.

Например, чтобы повысить морозоустойчивость растений, генетики добавили им ген, отвечающий за производство белка, который при заморозках не допускает образования в клетках острых кристаллов льда, повреждающих мембрану. Этот ген был заимствован учёными у северной трески, которая прекрасно себя чувствует в воде с температурой ниже нуля по Цельсию.

Но в условиях глобального потепления климата куда более актуальной проблемой для сельского хозяйства становится жара и засуха. И тут снова на помощь приходит современная наука.

Недостаток влаги является основным фактором экологического стресса, который влияет на рост и развитие посевов. Когда растения сталкиваются с засухой, они начинают производить абсцизовую кислоту — гормон стресса, который замедляет рост и снижает потребление организмом воды. В частности, когда этот гормон достигает особого белка-рецептора, на листьях закрываются крошечные поры (устьица), через которые испаряется влага.

Люди быстро догадались, что при угрозе засухи можно распылять гормон над полями, чтобы заблаговременно переводить сельскохозяйственные культуры в "экономичный режим". Но, к сожалению, абсцизовая кислота оказалась очень дорогой в производстве, а её действие слишком быстро заканчивалось. Попытки создать дешёвый синтетический аналог также потерпели фиаско.

Тогда учёные решили, заменить дорогой гормон дешёвым и распространённым в агрохимии веществом и заставить реагировать на него рецепторы растений.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR) детально изучили механизм соединения абсцизовой кислоты с белком-рецептором и выяснили, что наилучшим образом в качестве замены подойдёт известный пестицид мандипропамид, который используют для борьбы с фитофторозом фруктовых и овощных культур.

Группа под руководством Шона Катлера (Sean Cutler) работала с распространённым модельным растением резуховидкой Таля из семейства капустных и с обыкновенными томатами. С помощью методов молекулярной биологии учёные "перепрограммировали" рецепторы растений (вырастив новые организмы с новым генетическим кодом) и сделали их чувствительными к пестициду.

Как показали эксперименты, при опрыскивании мандипропамидом устьица закрывались, и модифицированные растения лучше выживали в условиях недостатка влаги.

"С помощью генной инженерии мы нашли новое применение для распространённого в агрохимии вещества, — говорит Катлер в пресс-релизе. — Мы ожидаем, что эта стратегия перепрограммирования реакции растений позволит контролировать полезные свойства, такие как устойчивость к болезням и скорость роста, при помощи самых разных химикатов".

Немаловажно, что исследователи не обнаружили между обычными и модифицированными растениями других отличий, кроме чувствительности рецепторов к разным белкам. Это значит, что вмешательство в генотип не сказалось на вкусе и других свойствах сельскохозяйственных культур.

Результаты работы были описаны в статье журнала Nature.