Регионы, традиционно считающиеся одними из самых продуктивных в сельском хозяйстве — от Индии до Среднего Запада США — уже зафиксировали рекордные температуры в этом году. Эти экстремальные погодные условия несут в себе тревожные последствия для мировых запасов продовольствия. Ранее мы уже писали о потенциальных рисках, связанных с этим ограничением экспорта пшеницы.
Жаркие дни и ночи усугубляют засуху, но это лишь одна из угроз. При экстремальных температурах молекулярные механизмы внутри растений могут вовсе прекратить работу, что ведет к полной потере урожая. Ожидается, что в условиях изменения климата эта угроза будет только усиливаться. Ученые прогнозируют, что увеличение рисков станет более ощутимым.
Более того, такие ключевые культуры, как кукуруза и пшеница, сталкиваются с дополнительной проблемой: повышение температуры негативно влияет на один из основных инструментов их самозащиты от инфекций. Даже незначительное превышение нормальных температур делает растения более восприимчивыми к вредителям и болезням.
Биологи активно изучают механизмы этого процесса. Новое исследование показало, как можно восстановить защитные функции растений, не замедляя при этом их рост. Если эти открытия удастся внедрить в практику на фермах, это критически важно для поддержания продовольственного обеспечения в условиях глобального потепления.
Системы иммунитета растений менее сложны, чем у человека, но они тоже производят химические соединения в ответ на атаки бактерий, грибков или насекомых.
Для многих растений ключевым звеном в иммунной защите является салициловая кислота. Это вещество обладает антибактериальными свойствами и служит сигналом для активации других защитных путей.
Проблема в том, что при аномально высоких температурах этот путь практически блокируется. Например, для культур, привыкших к более прохладному климату, вроде тех, что растут в Центральной Европе, всего несколько дней с температурой выше 28 °C могут серьезно ослабить их защиту.
Ученые знали об этом ограничении десятилетиями, но только недавно удалось точно понять причину сбоя и найти возможные пути вмешательства.
В свежей публикации исследователи выявили один ген, который, по всей видимости, выступает виновником температурной чувствительности, и разработали метод для восстановления иммунной системы растений при повышенных температурах.
Шэн Ян Хэ, биолог растений из Университета Дьюка и Медицинского института Говарда Хьюза, и его команда идентифицировали ген CBP60g, кодирующий белок, который регулирует экспрессию других генов, участвующих в пути салициловой кислоты.
Обнаружив этот ген, ученые смогли модифицировать геном растений так, чтобы они постоянно активировали выработку салициловой кислоты, даже при высокой температуре. В конечном итоге исследователи добились создания растений, которые синтезируют защитные соединения только при обнаружении патогена. Это позволяет экономить энергию и предотвращать замедление роста из-за ненужной постоянной защиты.
Как и многие фундаментальные исследования в области биологии растений, данная работа проводилась на модельном организме – арабидопсисе, «лабораторной мыши» в мире ботаники. Перенос этих результатов на другие культуры может быть непростым, как отмечает Сесар Куэвас-Веласкес, биолог растений из Национального автономного университета Мексики, который рецензировал данное исследование.
Тем не менее, многие важные сельскохозяйственные культуры тесно связаны с арабидопсисом, включая брокколи и брюссельскую капусту. Поскольку путь салициловой кислоты присутствует у множества растений, включая пшеницу, кукурузу и картофель, существует высокая вероятность того, что эта работа окажет значительное влияние за пределами лаборатории.
В рамках нескольких последующих экспериментов группа из Дьюка попыталась воспроизвести свои результаты на рапсе — культуре, используемой для производства канолы. Хэ сообщил, что результаты многообещающие, хотя исследования еще предстоит провести в реальных полевых условиях.
Одним из препятствий на пути внедрения генетически модифицированных культур в полевые условия может стать метод доставки нового ДНК — ученые использовали бактерии, что автоматически относит такие растения к ГМО (генетически модифицированным организмам). Однако Хэ полагает, что в будущих исследованиях можно будет задействовать инструменты редактирования генома, такие как CRISPR, вместо введения ДНК из другого организма. Это потенциально может снизить регуляторные и потребительские барьеры, связанные с ГМО-продуктами.
Другие эксперты подчеркивают: хотя исследования продвигаются, мы еще далеки от полного понимания механизмов работы растений.
«Остается много более фундаментальных вопросов», — заявляет Цзянь Хуа, биолог растений из Корнеллского университета. Например, до сих пор неясно, почему этот иммунный путь вообще отключается при высоких температурах.
Ослабление иммунитета в жару может быть эволюционной особенностью. Хуа предполагает, что, возможно, существует некая выгода в отключении определенных защитных реакций при изменении температуры. Некоторые растения активируют другие иммунные ответы при потеплении, и пока неясно, каково относительное значение этих разнонаправленных путей и как они взаимодействуют.
Повышение температуры, вызванное изменением климата, повлияет на растения множеством способов, помимо иммунного ответа. Но если исследователи смогут найти новые способы укрепления естественной защиты растений, это в перспективе сулит сокращение использования пестицидов и создание более устойчивой глобальной продовольственной системы.
