Как растения запоминают пережитые экстремальные условия, чтобы приспособиться к ним

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.

«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».

В ходе исследования авторы также 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.

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.