Низкая температура — серьёзный абиотический стресс, который влияет на кукурузу на протяжении всего её ростового цикла, при этом стадия прорастания особенно чувствительна. Для изучения генетической основы устойчивости к холоду на ранних стадиях ученые использовали количественное картирование локуса признаков и определили ZmbHLH30 как кандидат-ген, регулирующий реакцию кукурузы на низкую температуру.
Кукуруза, крупнейшая мировая продовольственная культура, очень чувствительна к колебаниям температуры. Как вид, происходящий из тропических регионов, кукуруза особенно уязвима к низким температурам, которые ограничивают расширение площадей посадки и представляют прямую угрозу глобальному производству и продовольственной безопасности.
Низкотемпературный стресс — это распространённая агрометеорологическая катастрофа, которая может повредить кукурузу на протяжении всего жизненного цикла. Во время прорастания холодные условия подавляют ключевые гидролитические ферменты, такие как амилаза, и ограничивают мобилизацию запасов семян, что в конечном итоге снижает эффективность прорастания.
На стадии рассады низкие температуры подавляют фотосинтез, снижают активность антиоксидантных ферментов, ухудшают стабильность мембран, уменьшают накопление биомассы и замедляют рост и развитие. В тяжёлых случаях холодный стресс может нарушить целостность хлоропласта и нарушить функцию фотосинтетических ферментов.
Во время формирования зерен низкие температуры снижают синтез белков и крахмала, тем самым снижая общее качество урожайности.
Повышение холодостойкости кукурузы необходимо для улучшения адаптации к условиям на высоких широтах и высокогорье, преодоления ограничений по выращиванию, связанных с широтами, и решения температурных изменений, вызванных изменением климата.
Выявление холодостойких генетических ресурсов и выяснение регуляторных путей, регулирующих реакции на низкие температуры, являются фундаментальными шагами к селекции сортов кукурузы с повышенной морозостойкостью
В регионах с высокими широтами или с коротким вегетационным периодом в 4–5 месяцев посев требуется ранней весной для обеспечения достаточного времени развития; однако возвратные заморозки и длительные периоды низкой температуры подвергают прорастающие семена сильному холодовому стрессу.
Такой стресс снижает скорость прорастания, нарушает равномерность сеянцев и может привести к необратимым повреждениям эмбриона, что в тяжёлых случаях приводит к неудаче прорастания.
Более конкретно, холодный стресс ниже 15 °C вызывает широкую физиологическую реакцию у кукурузы, и развитие почти прекращается при температуре ниже 10 °C.
Низкая температура нарушает текучесть мембраны за счёт разделения липидной фазы, снижает активность ключевых метаболических ферментов, таких как амилаза и протеаза, и ограничивает поглощение воды и питательных веществ, подавляя образование корневых волосков.
Параллельно холодный стресс ускоряет накопление реактивных форм кислорода, повреждая ДНК, белки и мембранные липиды. Перекисление липидов приводит к образованию реактивных альдегид, таких как малондальдегид и метилглиоксал, которые также могут накапливаться из-за гликолитического дисбаланса под стрессом. Эти альдегиды дополнительно усугубляют повреждение клеток, формируя аддукты ДНК и способствуя перекрёстному сшиванию белков, что приводит к остановке прорастания, замедлению роста сеянцев, хлорозу и даже аборту семян.
С другой стороны, метилглиоксальная сигнализация также может активировать киназы, транскрипционные факторы и гены, участвующие в сети холодного ответа кукурузы
Устойчивость растений к холоду контролируется сложными генетическими сетями, в которых транскрипционные факторы интегрируют стрессовые сигналы и активируют защитные пути вниз по потоку. В кукурузе ZmICE1 — хорошо охарактеризованный транскрипционный фактор, реагирующей на холод, который напрямую связывается с промоторами генов, таких как ZmASs и ZmASN2, регулируя холодостойкость и метаболизм аминокислот.
Ученые Северо-восточного сельскохозяйственного университета, Китай, применили количественное картирование локуса признаков и определили ZmbHLH30 как кандидат-ген, наиболее активно регулирующий реакцию кукурузы на низкую температуру.
Белок ZmbHLH30 локализован в цитоплазме протопластов кукурузы, а промотор ZmbHLH30 стимулирует экспрессию β-глюкуронидазы (GUS) в листьях.
Область промотора ZmbHLH30 содержит несколько элементов, чувствительных к стрессу окружающей среды, включая мотивы, связанные с холодными и ауксиновыми реакциями.
Чрезмерная экспрессия ZmbHLH30 значительно повысила морозостойкость на стадиях прорастания, почки и проростка, при этом наиболее сильный эффект наблюдался во время прорастания, когда значение D-значение устойчивости к холоду увеличилось на 0,366 относительно контрольной группы. Интегрированные транскриптомные и метаболомные анализы дополнительно выявили ZmbHLH30 как ключевого регулятора холодостойкости в кукурузе.
Источник: Plants 2026, doi.org/10.3390/plants15040611