У картофеля установлен важный ген термоустойчивости, который поможет создать новаторские сорта.
Картофель (Solanum tuberosum L.) является одной из важнейших основных сельскохозяйственных культур в мире, обеспечивая жизненно важный источник углеводов, витаминов и минералов для миллиардов людей.
Возникший в Андах Южной Америки, картофель стал глобальной культурой продовольственной безопасности благодаря своей высокой урожайности, адаптивности и питательной ценности. Он является третьей по потреблению культурой в мире после риса и пшеницы, поддерживая аграрную экономику и продовольственные системы в различных климатических условиях.
Однако производство картофеля сталкивается со значительными проблемами из-за абиотических стрессов, в частности теплового стресса, который нарушает развитие клубней, снижает урожайность и ставит под угрозу качество. Поскольку глобальные температуры повышаются из-за изменения климата, понимание молекулярных механизмов устойчивости картофеля к жаре имеет решающее значение для селекции устойчивых сортов.
Ключевым путем, участвующим в реакциях на стресс, является каскад митоген-активируемой протеинкиназы (mitogen-activated protein kinase, MAPK), где StMAPKK1 (киназа MAPK) может играть решающую роль в устойчивости к абиотическому стрессу, как сообщают китайские ученые в новом исследовании, опубликованном в журнале Plants 2025.
Каскад MAPK представляет собой высококонсервативный сигнальный путь и действует как критический модуль трансдукции ниже по течению от рецепторов и сенсоров, позволяя клеткам воспринимать и реагировать как на эндогенные, так и на внешние стимулы. После активации путь передает сигнал через последовательные события фосфорилирования, усиливая начальный сигнал и запуская специфические физиологические и биохимические реакции, которые регулируют рост, развитие растений и адаптацию к стрессу.
В исследовании, в котором участвовали ученые Китайской академии тропических сельскохозяйственных наук, Сельскохозяйственного университета Ганьсу, Юньнаньского сельскохозяйственного университета, доказано, что StMAPKK1 повышает термоустойчивость картофеля, модулируя антиоксидантную защиту, биосинтез осмопротекторов, маркеры окислительного стресса и стабильность хлорофилла.
Для выяснения роли StMAPKK1 в адаптации к тепловому стрессу трансгенные (линии StMAPKK1 -OE и линии с нокдауном РНКi) и обычные линии картофеля сортов «Атлантик» и «Дезире» подвергали воздействию теплового стресса (20 °C и 35 °C).
Физиологический и биохимический анализы оценивали антиоксидантные ферменты, маркеры окислительного стресса, осморегуляторный пролин и содержание хлорофилла как ключевые показатели термотолерантности.
В контрольных условиях (20 °C) не наблюдалось значимых различий (p > 0,05) между трансгенными и обычными растениями картофеля обоих сортов.
Однако, когда воздействие теплового стресса увеличилось до 35 °C, по сравнению с обычными растениями NT, линии StMAPKK1 в обоих сортах картофеля продемонстрировали усиленную и надежную регуляцию регуляцию всех параметров, что привело к превентивному синтезу антиоксидантов и пролина для смягчения окислительного повреждения, а повышенное содержание хлорофилла защитило от фотоокислительного повреждения.
В отличие от антиоксидантных ферментных систем, содержания пролина и хлорофилла, маркеры окислительного стресса были снижены в линиях StMAPKK1- OE по сравнению с линиями обычного картофеля, что ингибирует окислительную сигнализацию и перекисное окисление липидов.
Напротив, линии с нокдауном РНК-интерференции показали сниженную активность антиоксидантных ферментов, уровни пролина и хлорофилла, а также повышенное содержание маркеров окислительного стресса даже по сравнению с обычным картофелем.
Нарушенная термотолерантность в линиях с нокдауном РНК-интерференции демонстрирует, что сигнализация, опосредованная StMAPKK1, необходима для поддержания антиоксидантной защиты, осмопротекторного действия и стабильности хлоропластов в условиях теплового стресса за счет скоординированного подавления накопления активных форм кислорода и окислительного повреждения.
Таким образом, сверхэкспрессия StMAPKK1 у сортов картофеля «Атлантик» и «Дезире» повышала устойчивость к тепловому стрессу (35 °C) за счёт значительного увеличения антиоксидантной активности, накопления осмопротекторов и содержания хлорофилла.
«Текущее исследование имеет ряд ограничений и перспектив, которые необходимо учитывать для углубления нашего понимания термотолерантности картофеля, опосредованной StMAPKK1. Во-первых, хотя функциональная валидация трансгенных линий StMAPKK1 проводилась в контролируемых условиях, полевые испытания в условиях естественного высокотемпературного стресса необходимы для полной оценки его агрономического потенциала. Во-вторых, хотя StMAPKK1 способствует термотолерантности, его точное положение в сигнальном каскаде MAPK остается неясным. Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на идентификации восходящих и нисходящих киназ StMAPKK1, а также его взаимодействующих регуляторных партнеров, чтобы прояснить его регуляторную сеть в условиях теплового стресса. Хотя предыдущий скрининг дрожжей с двумя гибридами идентифицировал пять белков, взаимодействующих с StMAPKK1 в картофеле, конкретный механизм, связанный с белок-белковым взаимодействием при абиотическом стрессе, будет изучен в нашем последующем исследовании. В-третьих, потенциальное перекрестное взаимодействие между StMAPKK1 и другими стресс-чувствительными путями, такими как кальциевая сигнализация, метаболизм азота и другие абиотические стрессоры (соль, засуха, холод, тяжелые металлы и т. д.) требует систематического исследования. Интегрированные мультиомные подходы, включая транскриптомику, протеомику и фосфопротеомику, могут помочь раскрыть эти взаимодействия. Ответы на эти вопросы позволят нам глубже понять всестороннюю роль StMAPKK1 в посредничестве как каскадов MAPK, связанных с тепловым стрессом, так и других регуляторных сетей», отметили авторы исследования.
Источник: https://doi.org/10.3390/plants14152289