От селекции до специальных биостимуляторов и настроек точного орошения исследователи значительно продвинулись в понимании того, как защищать сельскохозяйственные растения от солевого стресса.
Для людей соль — важный продукт на кухне. Но для сельскохозяйственных культур её избыток может губителен. В прибрежных районах и на орошаемых сельскохозяйственных землях соль накапливается в почве, затрудняя поглощение воды растениями и снижая урожайность. Учёные подсчитали, что около половины орошаемых сельскохозяйственных земель мира в той или иной степени затронуты засолением. Но могут ли растения сами противостоять засолению?
Ожидается, что проблема засоления почв будет только нарастать. Повышение уровня моря может привести к засолению прибрежных сельскохозяйственных угодий, а изменение характера выпадения осадков и учащение засух увеличивают зависимость от орошения. Низкое качество поливной воды и чрезмерное использование удобрений усугубляют ситуацию, накапливая соль в почве из года в год. При этом к середине века численность населения планеты приблизится к 10 миллиардам человек, и спрос на продовольствие постоянно увеличивается. Поиск того, как выращивать урожай на засоленных почвах, активизируется. Но и растения — не пассивные жертвы. Под поверхностью земли их корни ведут постоянную борьбу с окружающей средой. Они чувствуют опасность, адаптируют свой рост и применяют сложные стратегии для выживания.
Эмбер Уильямс из Кардиффского университета — исследовательница, которая изучает механизмы борьбы растений с солевым стрессом. В своей статье, опубликованной в журнале The Conversation, она рассказывает о направлении своей работы, которое касается работы корневой системы растений на молекулярном уровне в условиях солевого стресса.
«Корни, конечно, выполняют гораздо больше функций, чем просто закрепляют растения в земле. Они являются передовой линией растения, постоянно собирая информацию об окружающей почве. Каждый день корни оценивают наличие воды, уровень питательных веществ и угрозы из окружающей среды. Когда уровень соли начинает повышаться, именно корни первыми обнаруживают это изменение», пишет Уильямс.
Для растений избыток соли создает двойную проблему. Во-первых, он затрудняет впитывание воды из почвы, словно растение пытается пить через забитую соломинку. Во-вторых, натрий может накапливаться в тканях, повреждая клетки и нарушая важные биологические процессы.
Корни способны удивительно быстро обнаруживать эти изменения. По мере увеличения концентрации соли клетки корня начинают посылать предупреждающие сигналы по всему растению. Эти сигналы запускают каскад ответных реакций, включая изменения уровня гормонов и активацию механизмов экстренного выживания, предназначенных для защиты роста.
Одна из самых замечательных особенностей корней — их гибкость. В отличие от надземных вегетативных органов, корни могут постоянно изменять свою форму в ответ на меняющиеся условия. Столкнувшись с засоленной почвой, они способны менять глубину своего роста, количество образующихся боковых ветвей и даже направление своего распространения.
По сути, корни могут сами уклоняться от опасности. Исследования показали, что растения могут изгибать корни, избегая участков почвы с высокой засоленностью, и при этом продолжать поиск воды и питательных веществ в других местах. Рост может замедляться в определенных областях, помогая растению избежать попадания уязвимых молодых тканей в неблагоприятные условия.
Скрытая перестройка корневой системы может существенно повлиять на шансы на выживание. Избегая самых засоленных участков почвы, растения могут уменьшить количество поглощаемого натрия, продолжая при этом получать необходимые им ресурсы.
В то же время корни работают над контролем попадания соли в растение. Избыток натрия опасен, поскольку может повреждать белки и клеточные мембраны. Чтобы предотвратить это, клетки корней активно перемещают натрий в запасающие отсеки, где он может причинить меньше вреда, или закачивают его обратно в окружающую почву.
В результате достигается тщательно выверенный баланс, который помогает защитить более чувствительные ткани над землей.
Растения умеют «запоминать» солевой стресс
Пожалуй, наиболее захватывающей областью исследований является идея о том, что растения могут учиться на собственном опыте. Ученые все чаще находят доказательства того, что предыдущее воздействие стрессовых факторов окружающей среды может влиять на реакцию растений в будущем. Например, у таких культур, как рис, растения, которые уже сталкивались с солью, иногда лучше справляются с повторным воздействием.
Вместо того чтобы задействовать память в человеческом понимании, эти переживания, по-видимому, оставляют стойкие химические метки на ДНК и связанных с ней структурах внутри клеток. Эти метки могут влиять на то, какие гены включаются или выключаются при повторном стрессе, позволяя растениям реагировать быстрее или эффективнее.
Аналогичные эффекты наблюдались в ответ на тепловой и засушливый стресс. Это говорит о том, что растения могут обладать удивительно сложной способностью готовиться к будущим вызовам.
Некоторые исследования даже предполагают, что некоторые аспекты этих стрессовых реакций могут передаваться следующему поколению, потенциально помогая потомству лучше справляться с суровыми условиями окружающей среды. Хотя многие вопросы остаются без ответа, возможность того, что растения могут сохранять и передавать информацию о прошлых стрессах, открывает захватывающую новую область исследований.
Но что это значит для будущего продовольственного снабжения? По мере повышения уровня соли в почве сельскохозяйственные культуры сталкиваются с растущим давлением. Засоление может замедлять рост, снижать урожайность и ухудшать способность растений справляться с другими проблемами, такими как засуха и сильная жара. В действительности, эти стрессы часто возникают одновременно. Именно поэтому изучение корневой системы стало таким важным научным приоритетом.
Чем лучше исследователи понимают, как корни растений обнаруживают, избегают и переносят соль, тем лучше будут подготовлены селекционеры к разработке культур, способных процветать в сложных условиях. Выявив особенности корневой системы, помогающие растениям выживать в засоленной среде, ученые смогут выводить или модифицировать сорта, способные поддерживать урожайность на землях, которые в противном случае стали бы менее продуктивными.
Большая часть этой битвы невидима, разворачиваясь в нескольких сантиметрах под нашими ногами. Но решения, которые принимают корни под землей, могут иметь серьезные последствия на поверхности. В будущем, когда изменение климата делает сельское хозяйство все более непредсказуемым, ключ к защите запасов продовольствия может заключаться в понимании того, как растения ведут свою тихую войну против соли.
Вот несколько направлений в агронауке, которые касаются солеустойчивости.
Эпигенетический прайминг («вакцинация» семян)
Поскольку исследователи изучают «клеточную память» и молекулярные метки на ДНК, выводы позволяют использовать метод прайминга. Семена культурных растений (пшеницы, риса, ячменя) кратковременно подвергают умеренному контролируемому солевому или химическому стрессу перед посадкой. Растение активирует гены защиты и «запоминает» эту угрозу на эпигенетическом уровне. При посеве в реальную соленую почву такие растения развивают корни в разы быстрее, так как их защитные механизмы уже находятся в режиме повышенной готовности.
Маркерная селекция новых сортов (MAS)
Исследования ионных транспортеров (таких как SOS1 и NHX) и ауксинового сигналинга (это сложная система химических «команд», с помощью которой растение управляет своими клетками с помощью гормона ауксина (в основном, индолил-3-уксусной кислоты) дают селекционерам точные маркеры для поиска устойчивых растений. Вместо того чтобы десятилетиями вслепую скрещивать сорта, ученые могут тестировать молодые проростки на молекулярном уровне.
Селекционеры отбирают только те линии диких или культурных злаков, которые генетически предрасположены к активному галотропизму («бегству» корней от соли) и эффективной откачке натрия из клеток. Это ускоряет выведение солеустойчивых сортов в 2–3 раза.
Биостимуляторы направленного действия
Понимание того, какие именно органические соединения (осмопротекторы) корни синтезируют под воздействием соли, позволяет создавать специализированные биостимуляторы для обработки полей.
Фермеры могут опрыскивать посевы или обрабатывать семена составами, которые запускают те же сигнальные пути, что и естественная защита растения. Это помогает культуре удерживать воду в клетках корня даже при высоком осмотическом давлении соленой почвы.
Настройка орошения под «архитектуру» корней
Знание молекулярных механизмов изгиба корней (галотропизма) помогает оптимизировать полив и внесение удобрений на засоленных землях. Понимание того, как корень распределяет гормон ауксин, позволяет разрабатывать технологии точечного орошения. Например, пресная вода подается на определенную глубину, стимулируя корни направленно расти вниз и пробивать верхние, наиболее засоленные слои почвы.