Растения реагируют на внешние стрессы, перераспределяя ресурсы с процессов роста на процессы защиты, что часто приводит к снижению урожайности. Это приводит к компромиссам между ростом и защитой, когда улучшение одного процесса происходит за счёт другого. Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе таких компромиссов, поможет создавать сорта сельскохозяйственных культур с одновременно улучшенной стрессоустойчивостью и урожайностью. Для изучения компромиссов между ростом и защитой в контексте метаболизма ученые создали крупномасштабную реконструкцию метаболизма картофеля, охватывающую весь известный вторичный метаболизм у одного из основных видов сельскохозяйственных культур. Модель позволяет проводить широкий анализ взаимодействия между процессами роста и защиты, как показано в исследовании, и является отличной платформой для дальнейшей разработки и применения.
Проблема обеспечения надежного снабжения продовольствием растущего населения планеты связана с повышением не только урожайности и качества, но и стрессоустойчивости основных сельскохозяйственных культур.
Помимо пагубного воздействия абиотических стрессов, таких как изменения температуры, засухи и наводнения, биотические стрессы приводят к ежегодным потерям до 80% урожайности. В случае картофеля особенно разрушительными являются вирусные инфекции и заражения травоядными вредителями, включая Y-вирус картофеля (PVY) и колорадского картофельного жука соответственно.
Однако молекулярные процессы, лежащие в основе и связывающие урожайность и защитные реакции, до сих пор не очень хорошо изучены. Растения, атакованные биотическими стрессорами, замедляют свой рост, чтобы сохранить молекулярные ресурсы и направить их в защитные цели, включая производство сигнальных и защитных соединений. И наоборот, быстрый рост растений для улучшения доступности ресурсов (например, при поиске света во время прорастания или из-за переполненной среды) часто сопровождается повышенной восприимчивостью к вредителям и патогенам, поскольку рост имеет приоритет над защитой.
Этот компромисс между ростом и защитой является основополагающим принципом экономики растений, позволяя растениям балансировать рост и защиту в соответствии с внешними условиями.
Современные сельскохозяйственные культуры, включая картофель, были выведены для максимизации признаков, связанных с урожайностью и ростом, за счет потери полезных признаков, связанных с защитой. С этой целью более глубокое понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе компромиссов между ростом и защитой, является решающим шагом на пути к совершенствованию стратегий селекции, которые могли бы помочь в разработке превосходных сельскохозяйственных культур, сочетающих высокую урожайность со способностью защищаться от стресса
Для изучения баланса между ростом и защитой растений в контексте метаболизма сельскохозяйственных культур учёные из Потсдамского и Эрлангенского университетов, Института молекулярной физиологии растений Общества Макса Планка и Национального института биологии в Любляне создали компартментализированную геномную метаболическую модель (genome-scale metabolic model, GEM) картофеля – potato-GEM.
Эта первая в своём роде крупномасштабная метаболическая реконструкция представляет собой ценный ресурс для селекции сортов растений с повышенной стрессоустойчивостью и высокой урожайностью в будущем.
Группа исследователей исследовала компромисс между ростом и защитой, используя методы моделирования, основанные на метаболических моделях в масштабе генома (GEM) картофеля. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
Помимо крупномасштабной реконструкции первичного метаболизма, модель включает в себя полный известный вторичный метаболизм картофеля, охватывающий более 566 реакций, которые обеспечивают биосинтез 182 различных вторичных метаболитов картофеля.
Моделирование на основе ограничений показывает, что активация наибольшего количества вторичных (защитных) путей происходит при снижении относительной скорости роста листьев картофеля из-за затрат, связанных с защитой. Затем ученые получили транскриптомные данные из экспериментов, в которых листья картофеля подвергались двум сценариям биотического стресса: травоядному животному и вирусному патогену, и применили их в качестве ограничений для создания моделей, специфичных для конкретных условий. Они показали, что эти модели воспроизводят экспериментально наблюдаемое снижение относительной скорости роста под воздействием обработки, а также изменения уровня метаболитов между обработками, что позволяет точно определить метаболическую перестройку, лежащую в основе компромиссов между ростом и защитой.
«Масштабная метаболическая реконструкция картофеля GEM отражает весь известный вторичный метаболизм этого важнейшего вида сельскохозяйственных культур», - сообщает Зоран Николоски, профессор биоинформатики Потсдамского университета и руководитель группы в Институте молекулярной физиологии растений Общества Макса Планка. Математическая модель позволяет проводить глубокий анализ взаимодействия между процессами роста и защиты и является отличной платформой для дальнейших разработок и практического применения.
«Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе реакции растений на стресс, может улучшить стратегии селекции и помочь нам создавать сорта сельскохозяйственных культур с улучшенной устойчивостью к стрессу, урожайностью и качеством», - заключил исследователь.
Источник: University of Potsdam. DOI: 10.1073/pnas.2502160122
На фото вы видите растение картофеля, зараженное вирусом (слева) и не зараженное вирусом (справа). Автор фото: Сара Фишер, Национальный институт виноградарства и виноделия, Любляна.