Растения — наше лекарство от голода.

Вопрос обеспечения продовольствием — то есть, что кушать завтра? — один из самых главных на Земле.

«Почему же сложно выращивать больше и лучше?» — спросите вы.

Раньше селекционеры пытались увеличить биомассу потребляемых частей растений, например, размер зерновок в колосе. Но этот способ имеет ограничения: слишком большой колос со спелыми зерновками полегал, и собирать его комбайнами было невозможно. Кроме этого, подводный камень селекции в том, что, улучшая, «одомашнивая» растения, мы уменьшаем их приспособленность. Помните, как часто надо пропалывать грядки, а сорняки всё растут и растут?..

Новый виток селекции — в сторону увеличения приспособленности. И в этой статье я расскажу вам о приспособленности к засухе.

Растения — заложники своего типа питания: чтобы жить, злаковое растение пропускает через себя в сутки более 1 литра воды. Если вам кажется мало, попробуйте на досуге выжать из почвы бутылочку воды. Из почвы вода проходит в корень и под действием корневого давления движется вверх по растению в листья, где испаряется через особые поры листа — устьица. Эти структуры в покровной ткани листа (до 300 на 1 мм²) устроены сравнительно просто. Две «губы», называющиеся замыкающими клетками, регулируют ширину устьичной щели. Иногда их называют «гвардейскими» клетками, недопереводя с английского guard cells. Особенность их функционирования в том, что для открывания устьица нужно просто закачать воду в замыкающие клетки — и они разойдутся, а для закрывания — выкачать. Вот, кажется, и решение проблем засухи: если нельзя полить всю пустыню, то можно закрыть устьица, и растение сможет жить на сэкономленной воде. Как же это сделать? Проведя ряд исследований, ученые выяснили, что есть вещество, вызывающее выход ионов из замыкающих клеток устьиц, причем вода выходит в межклетники вслед за ионами, и устьица закрываются (рис. 1). Это вещество — фитогормон абсцизовая кислота (АБК).

Да, у растений тоже есть гормоны! Только их мало, они, в основном, небелковые, и один гормон регулирует бесчисленное количество функций. В частности, АБК вызывает покой семян и почек (зерна кукурузы, не отвечавшие на ее действие, прорастали прямо в початке), опадение листьев, а также защищает от воздействия стрессоров (при засухе — закрыванием устьиц, ростом корня в длину (поближе к воде) и синтезом ряда белков, удерживающих воду и предотвращающих деградацию биомолекул). Как и у животных, гормон действует через свой рецептор — PYR1. При связывании с ним гормона происходит ингибирование фосфатазы PP2C и фосфорилирование дальнейших белков каскада (в том числе и ионных каналов клеток устьиц).

Однако обрабатывать растения АБК очень дорого. Дело в том, что молекула АБК имеет хиральные центры, и активной является S(+)-форма, а при искусственном синтезе АБК образуется смесь форм S(+) и R(−), разделение которой требует больших затрат. Ученые предложили оригинальное, на мой взгляд, решение.

Вопрос: «Чем ужé обрабатывают поля летом?»

Ответ: «Агрохимикатами».

Идея: «Давайте подстроим структуру рецептора АБК (PYR1) так, чтобы он реагировал на какой-то агрохимикат».

Была создана коллекция растений Arabidopsis thaliana (классического объекта генетических экспериментов), мутантных по рецептору PYR1 в области связывания с АБК. Среди них был выбран ряд растений, реагирующих на некоторые пестициды, как на АБК. После направленного мутагенеза для увеличения сродства рецептора к химикату были получены мутанты PYR1^MANDI. MANDI — потому что вещество, на которое начал отвечать рецептор, — фунгицид мандипропамид [1]. Мутация затрагивала аминокислоты, отвечающие за связь c АБК (PYR1(Y58H/K59R/V81I/F108A/S122G/F159L)). Рентгеноструктурный анализ и компьютерное моделирование показали, что именно изменилось в этом участке рецептора (рис. 2). Видно, что мандипропамид не связывался с нормальным (WT) рецептором потому, что в нем маловато места (рис. 2в).

На рисунке 3 представлены химические структуры АБК и мандипропамида. Видно, что эти соединения не очень похожи.

После этого быстро проверили эффект наличия мутантного рецептора у растения. Да, я не оговорился, именно быстро — при помощи метода RNA-seq. Сравнили транскриптомы мутантного и нормального растений без обработки и при обработке мандипропамидом и АБК. Между транскриптомами нормального и мутантного растения в отсутствие воздействия коэффициент корреляции Пирсона (r) был 0,99. Показали, что мандипропамид не действовал на нормальное растение из-за невозможности соединиться с рецептором (r=0,18), но вызывал схожий с нормальным ответ у мутанта PYR1^MANDI (r=0,90). И, внимание (!), самое важное — мутация не влияла на действие эндогенной АБК: корреляция между транскриптомами WT+АБК и PYR1^MANDI+АБК была 0,97. Это связано с тем, что имеется ещё 14 вариантов рецептора абсцизовой кислоты.

Хорошо, мало ли — транскриптомы совпали, а устьица-то закрываются? Да, закрываются. При этом был применен интересный способ измерения — непрямой: измерение температуры листьев мутантных растений томата (да, ГМ-помидорчик тоже сделали ). Когда устьица открывались, вода испарялась — лист охлаждался; вода не испарялась — нагревался (рис. 4). Температура листьев мутантного томата была выше примерно на 2 градуса.

О достижениях биоинженерии на поприще создания трансгенных растений можно узнать из статьи «Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?» [2]. — Ред.

Замечательно, почти безвредная мутация, даже устьица закрываются, а как с приспособленностью? Увеличивается! Посмотрите на рисунок 5: слева — нормальное, а справа — мутантное растение Arabidopsis. Эти растения выращивали 3 недели, а потом 11 дней не поливали, создав условия засухи. Дважды за этот период растения обрабатывали мандипропамидом. И вот, на двенадцатый день ученые сжалились над бедными растениями и все же напоили их. Мутанту, судя по фото, теперь хорошо, а вот нормальному растению, похоже, уже нет...

Подведем итог. Авторы применили подходы системной биологии для изменения физиологии растений. Такой прием, по их мнению, можно использовать для изучения сигнальных путей абсцизовой кислоты и других фитогормонов, начиная от их рецепторов. Кроме того, работа предлагает новый способ улучшения устойчивости зерновых культур. На мой взгляд, идея чрезвычайно оригинальна: подобрать не лиганд под рецептор, а рецептор под лиганд!

Литература

1. Sang-Youl Park, Francis C. Peterson, Assaf Mosquna, Jin Yao, Brian F. Volkman, Sean R. Cutler. (2015). Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors. Nature. 520, 545-548;
2. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?.