Засухи являются одним из основных абиотических стрессов, ограничивающих мировое производство сельскохозяйственных культур. При этом рапс очень восприимчив к засухам, что серьезно влияет на его рост, развитие и урожайность. В условиях глобального потепления сезонные засухи в регионах выращивания рапса стали происходить все чаще, что диктует необходимость разработки засухоустойчивых сортов.
Глобальные климатические изменения заставляют аграриев по всему миру сталкиваться с дефицитом пресной воды. Засуха является и врагом рапса (Brassica napus) — одной из важнейших масличных культур планеты, сухой воздух и обезвоженная почва угнетают рост, снижают урожайность и катастрофически портят качество семян.
В поисках природного щита против этого абиотического стресса китайские исследователи погрузились в генетическую архитектуру рапса.
Внимание ученых привлекли белки из семейства U-box, которые работают в клетках как особые ферменты — E3 убиквитинлигазы. Эти молекулы выполняют роль своеобразных регулировщиков, управляющих утилизацией отработанных белков и запускающих защитные механизмы в ответ на внешние угрозы. До недавнего времени точная функция конкретного гена под названием BnPUB12 в процессах выживания рапса оставалась для науки загадкой, но авторы нового исследования смогли полностью расшифровать его защитный потенциал.
Ученые применили метод молекулярного контраста. С помощью передовой технологии генетического редактирования CRISPR/Cas9 ученые создали нокаут-мутантов, у которых ген BnPUB12 был полностью «выключен».
Параллельно они сконструировали другие, генетически усиленные линии рапса со сверхэкспрессией этого же гена, где он, наоборот, работал на максимальных оборотах.
Полученные растения отправили на испытания засухой, подвергнув их комплексному фенотипическому, физиологическому и биохимическому анализу.
Результаты наглядно показали, что этот крошечный участок ДНК работает как главный переключатель водного баланса растения. Уже на самом старте жизни, в период прорастания семян в иссушенной почве, мутанты без рабочего гена показали критически низкую выживаемость, в то время как семена со сверхэкспрессией пробивали сухую землю с легкостью и демонстрировали отличные показатели.
Когда растения перешли в стадию молодых проростков, разница стала еще более очевидной. Рапс с заблокированным геном усыхал: у него фиксировалось рекордно низкое относительное содержание влаги, клетки теряли способность удерживать воду, а скорость ее испарения была катастрофически высокой.
На противоположном полюсе находились растения с гиперактивным геном BnPUB12. Они надежно запирали дефицитную влагу внутри своих тканей, снижали испарение до минимума и сохраняли сочность даже в спартанских условиях.
Биохимический секрет этой выносливости крылся в способности гена нейтрализовать один из самых коварных эффектов засухи — окислительный стресс. Когда растение страдает от жажды, в его клетках начинают бурно накапливаться активные формы кислорода. Это агрессивные молекулы-радикалы, которые выжигают живые ткани изнутри.
Чтобы увидеть этот процесс воочию, ученые применили специальное гистохимическое окрашивание реагентами DAB и NBT, которые подсвечивают зоны клеточного разрушения. Ткани беззащитных мутантов окрасились интенсивно и глубоко, сигнализируя о масштабных повреждениях, тогда как линии со сверхэкспрессией гена остались практически чистыми.
Физиологические замеры подтвердили, что BnPUB12 заставляет растение экстренно синтезировать мощный внутренний антидот. В усиленных линиях резко активизировалась работа защитных ферментов — супероксиддисмутазы и пероксидазы, а также увеличивалось содержание аминокислоты пролина, которая удерживает воду в клетках и стабилизирует мембраны. Одновременно с этим у них падал уровень малонового диальдегида — опасного маркера разрушения клеточных оболочек.
Проведенная работа доказала, что ген BnPUB12 является мощнейшим положительным регулятором засухоустойчивости рапса, способным беречь растение от гибели с момента первого ростка до формирования крепких всходов, что открывает селекционерам прямой путь к созданию сверхустойчивых сортов будущего.