Растение из Долины Смерти показало путь к жароустойчивым культурам

В калифорнийской Долине Смерти, где летняя температура регулярно поднимается выше 49 градусов по Цельсию, жизнь кажется почти невозможной. Однако среди растрескавшейся земли и слепящего солнечного света одно местное растение не просто выживает – оно процветает. Это растение, Tidestromia oblongifolia, помогло ученым из Университета штата Мичиган выяснить, как жизнь может процветать в условиях экстремальной жары, открывая потенциальный план для создания сельскохозяйственных культур, способных адаптироваться к меняющемуся климату.

В новой статье, опубликованной в журнале Current Biology, профессор Сын Ён «Сью» Ри и научный сотрудник Карин Прадо сообщают, что T. oblongifolia растет быстрее в летних условиях Долины Смерти, оперативно настраивая свою фотосинтетическую систему для противостояния жаре. Исследование началось с простого вопроса: как это растение остается зеленым и сильным там, где большинство других погибли бы за несколько часов. «Когда мы впервые привезли эти семена в лабораторию, мы долго боролись, чтобы просто заставить их расти, – говорит Прадо. – Но как только нам удалось имитировать условия Долины Смерти в наших камерах роста, они резко пошли ввысь».

Работая в Институте устойчивости растений при Университете штата Мичиган, исследователи использовали специально созданные камеры для воссоздания интенсивного света и температурных колебаний настоящего лета в Долине Смерти. Произошедшее потрясло ученых: всего за десять дней T. oblongifolia утроила свою биомассу. Для сравнения, близкородственные виды, которые часто хвалят за их жароустойчивость, полностью прекратили рост. Всего за два дня пребывания в экстремальной жаре растение повысило свою «комфортную зону» для фотосинтеза, что позволило ему продолжать вырабатывать энергию. В течение двух недель его оптимальная температура для фотосинтеза достигла 45 градусов по Цельсию – выше, чем у любой известной крупной сельскохозяйственной культуры.

«Это самое жароустойчивое растение из когда-либо зарегистрированных, – утверждает Ри. – Понимание того, как T. oblongifolia акклиматизируется к жаре, дает нам новые стратегии, чтобы помочь культурам адаптироваться к потеплению планеты». Сочетая физиологические измерения с визуализацией в реальном времени и геномным анализом, исследователи обнаружили, что выдающаяся стойкость растения обеспечивается скоординированными изменениями на нескольких биологических уровнях. В условиях, подобных Долине Смерти, митохондрии – энергетические органеллы растения – перемещаются ближе к хлоропластам, где происходит фотосинтез. Сами хлоропласты меняют форму, образуя характерные «чашеподобные» структуры, ранее не встречавшиеся у высших растений. Это может помочь более эффективно улавливать и перерабатывать углекислый газ, стабилизируя выработку энергии в условиях стресса.

Одновременно с этим в течение 24 часов тысячи генов меняют свою активность. Многие из них участвуют в защите белков, мембран и фотосинтетического аппарата от теплового повреждения. Растение также увеличивает выработку ключевого фермента под названием Rubisco activase, который помогает поддерживать бесперебойную работу фотосинтеza при высоких температурах. На фоне прогнозов о повышении глобальной температуры до 5 градусов по Цельсию к концу века, волны жары уже снижают урожайность основных культур, таких как пшеница, кукуруза и соя. Ученые ищут способы увеличить производство продуктов питания в условиях роста населения планеты.

«T. oblongifolia показывает нам, что у растений есть способность адаптироваться к экстремальным температурам, – отмечает Ри. – Если мы сможем научиться воспроизводить эти механизмы в сельскохозяйственных культурах, это может преобразовать сельское хозяйство в условиях более жаркого мира». Десятилетиями большая часть биологии растений была сосредоточена на модельных видах, которые легко выращивать, таких как арабидопсис, или на культурных растениях вроде риса и кукурузы. Однако Ри утверждает, что «экстремальные выживальщики», подобные T. oblongifolia, открывают новые горизонты для повышения устойчивости.

«Пустынные растения потратили миллионы лет на решение проблем, с которыми мы только начинаем сталкиваться, – говорит она. – У нас наконец появились инструменты, такие как геномика, визуализация в высоком разрешении и системная биология, чтобы учиться у них». Ее лаборатория уже применяет полученные знания, исследуя, как гены и клеточные структуры, обеспечивающие жароустойчивость T. oblongifolia, могут быть использованы для повышения жизнеспособности основных культур. Это исследование предоставляет дорожную карту того, как все растения могут приспособиться к меняющемуся климату.