Специальная клетка помогает сеянцам фасоли выживать в условиях засухи и бедности почв питательными веществами. Ученые размышляют, можно ли перенести это в сою, которая не обладает корневым преимуществом особых «крючковатых волосков».
Исследователи обнаружили ранее неизвестный тип клеток, скрытый на корнях фасоли обыкновенной, — микроскопический механизм выживания, который может способствовать разработке более устойчивых к изменению климата сельскохозяйственных культур и снижению зависимости от удобрений.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , эти специализированные клетки, напоминающие «крючковатые волоски», образуют крошечные заостренные структуры под землей, которые действуют как первая линия защиты, помогая молодым растениям выживать в бедных питательными веществами и засушливых почвах задолго до того, как сформируется их зрелая корневая система.
Фасоль обыкновенная — широко распространенный вид, включающий множество известных сортов, в том числе свежую зеленую фасоль, а также сушеную фасоль пинто, черную и красную фасоль. Несмотря на различное оформление на полках магазинов, все они обладают схожей биологической структурой, что делает фасоль обыкновенную одним из важнейших в мире источников растительного белка, железа и пищевых волокон.
В 2024 году мировое производство одних только сушеных бобов фасоли достигло приблизительно 28,9 миллионов метрических тонн.
Однако, как объяснил Александр Бакш, ведущий автор проекта и доцент Школы растениеводства Университета Аризоны, судьба этой важной культуры, как и многих других, часто решается в течение первых нескольких дней после прорастания.
«Молодое растение очень восприимчиво к засухе, вредителям и недостатку питательных веществ в период укоренения сеянца», — сказал Бакш.
По его словам, для фермеров эти потери часто уже заложены в итоговый финансовый результат, поскольку обычно погибает от 5 до 20% рассады.
«Это значительные экономические потери для фермеров. По мере усиления засухи и жары смертность рассады может быть намного выше», — сказал Бакш.
Скрытые защитные механизмы на ранних стадиях роста фасоли
По словам Бакша, на протяжении более века процессы, происходящие под землей в корнях растений, в сельском хозяйстве оставались в значительной степени «черным ящиком»: «Почва непрозрачна. Сквозь нее просто невозможно заглянуть невооруженным глазом или с помощью обычной камеры. Кроме того, почва богата железом, которое мешает применению традиционных методов визуализации».
По сути, почва на поле действует как железный занавес, нарушая электромагнитные сигналы, используемые датчиками изображения, такими как рентгеновские аппараты или МРТ, что чрезвычайно затрудняет определение мелкомасштабных корневых структур под поверхностью.
Команда Бакша устранила это ограничение, объединив контролируемые лабораторные системы выращивания с микроскопическими изображениями, анализируемыми с помощью разработанного ими специализированного программного инструмента, получившего название DIRT/μ (Digital Imaging of Root Traits at Microscale). Эта программная платформа предназначена для обнаружения и количественной оценки незначительных изменений в длине и развитии отдельных клеточных придатков, несмотря на искаженные условия визуализации.
Кроме того, команда разработала аналитический конвейер, способный улавливать тонкие различия в контуре крючковидных волосков. В совокупности эти инструменты выявили ранее неизвестную закономерность роста, что позволило исследователям с большей точностью изучать детали на клеточном уровне.
Объединив свой подход цифровой феномики с секвенированием отдельных клеток, команда, в которую входили бывшие студенты Бакша из Университета Джорджии и сотрудники из Университета Миссури, смогла преодолеть разрыв между видимым корнем и микроскопическими клетками, определяющими его выживание.
В отличие от корневых волосков, которые появляются через пять-десять дней после прорастания, исследовательская группа обнаружила, что эти особые крючкообразные волоски появляются в течение трех дней, что ставит под сомнение давно устоявшиеся представления о раннем развитии растений.
«Если, например, заглянуть в учебник биологии, там часто говорится, что первые пару недель сеянцы живут за счет запасов, содержащихся в семени, но это не совсем так. Мы обнаружили, что эти крючкообразные волоски начинают поглощать питательные вещества, такие как фосфор и азот, из почвы гораздо раньше», — сказал Бакш.
Эти структуры также обладают активным субериновым путем, который образует воскообразное покрытие на корневых тканях, помогающее саженцу регулировать внутреннюю влажность и предотвращающее его высыхание при высоких температурах почвы.
По словам Бакша, наличие этого необратимого, конечного пути стало важнейшим доказательством того, что эти крючкообразные волоски обладают уникальным молекулярным профилем и принципиально отличаются как от стандартных корневых волосков, так и от надземных трихом.
«Это исследование важно, поскольку демонстрирует, что ни генетика, ни фенотипирование сами по себе не могут определить тип клетки; их необходимо рассматривать в совокупности», — сказал Серхио Алан Сервантес Перес, научный сотрудник лаборатории Бакша, возглавлявший биоинформатическую часть проекта.
Эта точка зрения отражает продолжающуюся дискуссию в области растениеводства, где определение отдельного типа клеток остается сложной задачей, и исследователи все чаще интегрируют морфологию, экспрессию генов, происхождение и функцию, чтобы проводить эти различия.
Бакш сказал, что такое многомасштабное мышление является центральным элементом феномических подходов: «Мы рассматривали все, от экспрессии генов до формы клеток на протяжении всего развития. Здесь путь суберина необратим, а не просто временное состояние».
Помимо извлечения питательных веществ и регулирования водного баланса, заостренная крючкообразная форма может также служить встроенной системой защиты. Над землей подобные крючкообразные структуры, известные как трихомы, помогают защитить растения от вредителей, таких как тля.
«Мы подозреваем, что эти заостренные крючкообразные волоски, расположенные под землей, могут прикрепляться к опасным нематодам и убивать их, а нематоды является одной из главных причин потери урожая в США», — сказал Бакш.
В дальнейшем исследовательская группа проверит эту гипотезу, а также изучит, как крючкообразные волоски эволюционировали на протяжении всей эволюции на Древе Жизни.
«Нас особенно интересует, почему у фасоли обыкновенной развились крючковидные волоски, а у таких культур, как соя, они отсутствуют. Это может стать ключом к использованию этой адаптации для разработки более устойчивых к изменению климата культур», — сказал Бакш.
Источник: University of Arizona. Автор: Розмари Брандт.