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. 2с).

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. Park S., Peterson F.C., Mosquna A., Yao J., Volkman B.F., Cutler S.R. (2015). Agrochemical control of plant water use using engineered abscisic acid receptors. Nature. doi: 10.1038/nature14123;
2. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?.