Кукурузное растение знает, как находить воду в почве с помощью самых кончиков своих корней, но многие сорта, используемые для селекции высокоурожайной кукурузы в США, по-видимому, утратили часть этой способности, согласно новому исследованию. С учетом того, что изменение климата увеличивает засухи, результаты показывают потенциал мексиканской кукурузы для разработки более устойчивых сортов.
Исследование команды Стэнфордского университета, опубликованное в журнале Science, раскрывает генетические механизмы, лежащие в основе «гидроструктуры» корней, или того, как корни растений разветвляются в сторону воды и избегают сухих пространств в почве. В частности, ученые обнаружили, что этилен, растительный гормон, известный тем, что помогает бананам созревать, также влияет на то, как корни растут в поисках воды.
Корни кукурузы растут в специально разработанном анализе для измерения реакции корневых ветвей на влажность, явление, известное как гидропаттерн. Автор фото: ЛиПо Чинг, Стэнфордский университет.
«Растения обладают сложным механизмом «видеть», где в почве находится вода, и гены, которые за это отвечают, играют важную роль, помогая растению создать корневую систему, оптимизированную для эффективного поглощения воды. По сути, растения используют газообразный этилен, вырабатываемый их корнями, чтобы чувствовать, где в почве находятся воздушные пространства. Затем они регулируют ветвление корней ниже по течению этого гормона», - говорит Хосе Диннени, старший автор исследования и профессор биологии в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета. Эта работа стала возможной благодаря международному сотрудничеству нескольких исследовательских групп, вносящих вклад в количественную генетику, эволюцию и развитие корней.
Хотя лаборатория Диннени ранее выявила тонкую чувствительность корней кукурузы к обнаружению воды, было обнаружено, что то, насколько хорошо растение справляется с этой задачей, во многом зависит от конкретного сорта или гибрида кукурузы.
Для данного исследования ученые разработали новый, упрощенный способ изучения чувствительности корней к воде, что позволило проанализировать реакцию 250 сортов кукурузы, отражающих генетический пул, присутствующий в современной селекции кукурузы.
Ученые установили, что сорта кукурузы, адаптированные к выращиванию в тропических или субтропических регионах, таких как Мексика, очень хорошо формируют новые корневые ответвления в направлении воды и избегают засушливых участков.
Напротив, сорта, адаптированные к умеренным регионам Северной Америки, часто отращивали корни во многих направлениях, не делая различий между сухими и влажными участками почвы.
Исследователи заявили, что развитие современной кукурузы, выращиваемой в США, основной культуры, часто выращиваемой на высокоплодородных сельскохозяйственных землях, могло ослабить реакцию корней растений на поиск воды. Они также отметили, что сравнение с полевыми исследованиями показало, что более сильная гидроструктура связана с большей глубиной корней.
«Интересно, что растения, которые лучше чувствуют, где находится вода, также формируют более глубокую корневую систему. Одна из гипотез может заключаться в том, что если растение не тратит время на рост корневых отростков в местах, где оно не находит воды и питательных веществ, то у него остается больше энергии для роста вглубь, где вероятность наличия воды выше», - сказал ведущий автор Йоханнес Шарвис, научный сотрудник лаборатории Диннени.
Исследователи установили с помощью генетического анализа, что два растительных гормона, ауксин и этилен, играют роль в том, как корни кукурузы реагируют на воду. Хотя уже было известно, что ауксин помогает контролировать этот процесс, участие этилена стало новым открытием.
В экспериментах модельного растения резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) ученые определили, что генетические сигнальные пути двух гормонов дополняют друг друга: сигнал ауксина способствует развитию корневых ветвей по направлению к воде, тогда как этилен подавляет ветвление, когда корень подвергается воздействию воздуха.
«Необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять взаимодействие этих генетических путей, прежде чем можно будет вывести сорта кукурузы с более устойчивыми к засухе корневыми системами, однако полученные результаты подчеркивают важность изучения этих локализованных реакций на кончиках корней. Каждый кончик корня действует как датчик в почве. Они ищут воду и питательные вещества и контролируют, в каком направлении должны расти новые корневые ветви. Нам нужно больше времени уделять изучению этих локальных реакций корней, чтобы понять, что делает все растение, а затем мы сможем использовать это для разработки растений, более устойчивых к засухе», - заключил Шарвис.
Источник: Stanford University.
На фото - исследователи Йоханнес Шарвис и Хосе Диннени стоят перед растениями кукурузы, выращенными для изучения реакции корней на влажность в тепличном комплексе Стэнфордского университета. Автор фото: Ли По Чинг, Стэнфордский университет.