Глобальное изменение климата стремительно превращает некогда плодородные земли планеты в бесплодные солончаки. Для обычных зерновых культур соль в почве — это смертный приговор. Она вытягивает влагу из корней, отравляет клетки и блокирует фотосинтез. Сельскохозяйственный регион Хуан-Хуай-Хай в Китае столкнулся с этой проблемой лицом к лицу, поэтому исследователи протестировали ряд сортов пшеницы для поиска самого солеустойчивого сорта.
В настоящее время около 7% мировой площади суши подвержено засолению почв, покрывая площадь в 950 миллионов гектаров. Прогнозы показывают, что глобальное изменение климата увеличит частоту экстремальных погодных явлений, таких как засуха и высокие температуры. Эти два стрессора будут способствовать дальнейшему засолению земель.
В Северном Китае регион производства пшеницы Хуан-Хуай-Хай включает в себя Хэбэй, Шаньдун, Пекин и Тяньцзинь. Сорта Цзи-6358, Цзимай-22, Кэйи-5214, Лянсин-99 и Нонда-3432 подходят для выращивания в этом регионе. Они различаются по генетическому фону, продолжительности вегетационного периода, высоте растений и урожайности, однако, их солеустойчивость не была систематически оценена и сравнена.
Для отбора сортов пшеницы, адаптированных к засоленным землям региона Хуан-Хуай-Хай, эти пять сортов были выбраны в качестве экспериментального материала консорциумом китайских исследователей. Пшеницу проверяли путем воздействия на рассаду концентраций NaCl в диапазоне от 0 до 150 мМ. Когда уровень засоления достиг ста пятидесяти миллимоль, это превратило питательный раствор в подобие морской воды. Для большинства растений пшеницы это означало бы быструю смерть от обезвоживания. Однако два сорта, Лянсин-99 и Цзимай-22, проявили удивительную волю к жизни. Пока их менее удачливые собратья останавливались в росте и засыхали, эти два лидера продолжали упрямо наращивать зеленую массу.
Заглянув внутрь выносливых проростков, ученый обнаружили филигранно работающий механизм молекулярной самообороны. В ответ на соляную атаку выносливые сорта начали экстренно перестраивать накапливать количество растворимых сахаров и особой аминокислоты — пролина. Эти вещества сработали как осмопротекторы: они удержали воду внутри клеток, не дав соли «высушить» растение изнутри, и сохранили высокий уровень хлорофилла для полноценного фотосинтеза.
Кроме того, соль обычно вызывает внутри тканей настоящий окислительный пожар, порождая токсичную перекись водорода и разрушая клеточные оболочки с образованием вредного вещества малонового диальдегида. У сортов Лянсин-99 и Цзимай-22 вовремя включился антиоксидантный спецназ — ферменты супероксиддисмутаза и каталаза. Они перехватывали и нейтрализовали опасные свободные радикалы, благодаря чему уровень разрушения тканей у этих растений остался минимальным.
А секрет абсолютного победителя эксперимента — сорта Лянсин-99 — крылся на уровне ДНК. Генетический анализ показал, что при критическом уровне соли у него мощно активировался и заработал особый ген-дирижер под названием ZFP34. Именно этот молекулярный переключатель отдал команду на запуск целого каскада защитных генов, отвечающих за выработку антиоксидантов, и активировал ген фотосинтеза RbcS. Благодаря такой скоординированной генетической защите Лянсин-99 фактически проигнорировал соляной стресс, продолжая развиваться.
Как отметили авторы работы, определение точных биохимических маркеров солеустойчивости на стадии ранних всходов позволяет существенно ускорить селекцию. Теперь ученым не нужно ждать годы, чтобы увидеть «сортовое поведение». Выделенные элитные сорта, и в первую очередь Лянсин-99, становятся мощным генетическим фундаментом для создания новых линий пшеницы, которые в ближайшем будущем позволят вовлечь в оборот заброшенные солончаки.