Хорошо известно, что среди растений есть настоящие чемпионы-рыхлители почвы, например, дайкон, который благодаря длинному корнеплоду разрушает тяжелый и глинистый грунт. Однако, не только корнеплоды способны бороться с уплотнением. Все растения знакомы с инженерными принципами, чтобы пробиться сквозь твердую почву. И это могут использовать селекционеры, создавая новые сорта сельхозкультур с более активной корневой рыхлительной системой.
Зависимость современного сельского хозяйства от механизации приводит к деградации почвы и уплотнению, что влияет на рост корней и урожайность пропашных культур. Все более частые засухи усугубляют проблему.
Однако растения, возможно, способны решить часть этой проблемы сами — с помощью селекционеров. Уже известно, что когда почва становится плотной и труднопроницаемой, растения могут реагировать утолщением корней. Но до сих пор оставалось неясным, как им это удаётся, за исключением того факта, что ключевую роль в этом играет фитогормон этилен.
Корни растений расширяются радиально при столкновении с уплотненной почвой, что приводит к укорочению и утолщению корней. Радиальное набухание корней происходит главным образом из-за расширения слоев клеток коры, что может вызвать образование почвенных трещин, способствующих проникновению в почву. Эта адаптивная реакция обусловлена захватом летучего гормона растений этилена вокруг корня, поскольку уплотнение снижает диффузию газа через почву. Несмотря на это механистическое понимание, то, как этилен контролирует перестройку клеточной стенки, обеспечивая радиальное расширение корня, остается неясным.
Исследователи из Копенгагенского университета, Шанхайского университета Цзяотун, Ноттингемского университета и их партнёров собрали воедино этот механизм. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature.
«Поскольку мы теперь понимаем, как растения «настраивают» свои корни при столкновении с уплотненной почвой, мы можем подготовить их делать это более эффективно», — говорит Стаффан Перссон, профессор Копенгагенского университета и старший автор исследования.
Работая с растениями риса, учёные обнаружили, что при уплотнении почвы и накоплении этилена вокруг корня гормон активирует ген OsARF1. Этот ген снижает выработку целлюлозы в определённых клетках корня, делая средний слой корня тоньше, мягче и гибче. Это позволяет клеткам набухать, и корень расширяется. В то же время наружный слой корня (эпидермис) становится толще и жёстче.
«Другими словами, корень меняет свою структуру в соответствии с основным инженерным принципом: чем больше диаметр трубы и прочнее ее внешняя стенка, тем лучше она может противостоять изгибу при вдавливании в компактный материал», — объясняет Бипин Панди, старший автор и доцент Ноттингемского университета.
Сочетание разбухания корня и укрепленного внешнего слоя позволяет корню действовать как своего рода биологический клин, облегчая себе путь сквозь почву.
«Увлекательно наблюдать, как растения используют механические концепции, знакомые из строительства и дизайна, для решения биологических задач», — говорит Перссон.
На фото: уплотнённая почва (справа) способствует укорочению корней риса по сравнению с неуплотнённой почвой (слева). Источник: Nature.
Исследование также показывает, как этот механизм можно усилить.
«Наши результаты показывают, что при повышении уровня определённого белка — фактора транскрипции — корень становится более способным проникать в плотную почву. Обладая этими новыми знаниями, мы можем начать перестраивать структуру корня, чтобы он более эффективно справлялся с уплотнёнными почвами. Это открывает новые возможности в селекции сельскохозяйственных культур», — говорит первый автор исследования Цзяо Чжан, постдок Шанхайского университета Цзяотун.
Хотя эксперименты проводились на рисе, исследователи полагают, что этот механизм широко применим ко всем видам растений. Элементы того же механизма были обнаружены и у модельного арабидопсиса, эволюционно далёкого от риса.
«Наши результаты могут помочь в разработке культур, более приспособленных к выращиванию на почвах, уплотнённых сельскохозяйственной техникой или подверженных засухам, вызванным климатом. Это будет иметь решающее значение для будущего устойчивого сельского хозяйства», — говорит профессор и старший научный сотрудник Ваньци Лян из Шанхайского университета Цзяотун.
Эта работа также открывает новые возможности для селекции растений в целом. Группа выявила множество дополнительных факторов транскрипции, которые, по-видимому, являются ключевыми регуляторами образования целлюлозы, что имеет далеко идущие последствия для формы и структуры растений. Например, может появиться возможность создавать растения с различной формой, что может принести пользу определённым сельскохозяйственным культурам.
«Открытые нами факторы транскрипции — настоящая золотая жила для биологии клеточной стенки. Здесь более чем достаточно материала, чтобы занять меня до пенсии», — заключает Перссон.
Исследование является результатом сотрудничества ученых из Китая, Великобритании, Японии, Аргентины и Дании, в котором использовались лабораторные эксперименты, генетический анализ и передовая микроскопия.
Источник: University of Copenhagen.
На фото: поперечный разрез корня растения в нормальной и плотной среде. Источник: Nature.