Прогресс происходит на фоне разгадки вековой тайны коммуникации растений: они сигнализируют о стрессе с помощью механизмов отрицательного давления.
Представьте себе, если бы растение на фермерском поле могло бы предупредить фермера о том, что ему нужна вода? Или сам фермер мог подать сигнал растениям о том, что впереди засушливая погода, тем самым побуждая культуры экономить воду? Это может показаться необычным, но исследователи из Центра исследований программируемых систем растений (CROPPS) сделали важный шаг на пути к развитию двусторонней коммуникации с растениями.
Центр исследований программируемых систем растений (Center for Research on Programmable Plant Systems, CROPPS) работает с 2021 года и представляет собой междисциплинарный исследовательский центр для разработки систем двусторонней связи с растениями. Программу возглавляет Корнелльский университет совместно с партнерами из Иллинойсского университета, Университета Урбана-Шампейн , Аризонского университета , Института Бойса Томпсона, Университета штата Колорадо и Университета Таскиги.
Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, решило вековую загадку того, как растения внутренне сигнализируют о стрессе. Поняв, как работают системы коммуникации растений, команда может начать использовать эти сигналы для создания растений, которые могут общаться с людьми и друг с другом, и быть запрограммированы на реагирование на определенные стрессоры.
Решение заключается в отрицательном давлении, которое существует в сосудистой системе растения, которое необходимо для удержания воды внутри стеблей, корней и листьев, когда оно сухое. Стрессовые факторы изменяют баланс давления внутри растения, что затем запускает движение в жидкости растения, которая может переносить механические и химические сигналы по всему растению, чтобы противостоять стрессовому фактору и восстановить баланс.
«Мы пытаемся построить фундаментальные знания о том, как происходит коммуникация в растениях. Наша структура обеспечивает механистическое понимание того, что перемещает сигналы из одного места в другое, и объясняет, как могут распространяться механические и химические сигналы», - сказала первый автор Весна Бачева, постдокторант CROPPS.
Бачева работает в лабораториях соавторов Эйба Струка (выпускник 1995 г.), профессора химической и биомолекулярной инженерии имени Гордона Л. Диббла (выпускник 1950 г.) в Корнеллском инженерном колледже, и Маргарет Франк, доцента кафедры биологии растений в Школе интегративной растениеводства в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни Корнелльского университета.
«Это очень важный шаг вперед в области, которая на удивление только зарождается с точки зрения истинного механистического понимания», - сказал Струк.
Более века назад ученые начали задаваться вопросом, как растения могут передавать сигналы из одной части растения в другую, чтобы вызвать реакцию на стрессоры. Ученые выдвинули гипотезу, что, возможно, растения используют гормоны или химические вещества для общения, в то время как другие предположили, что они используют механические сигналы.
Бачева и ее коллеги разработали прогностическую модель и единую структуру, которая объясняет, как механические и химические сигналы передаются по растениям, когда стрессоры вызывают изменения давления.
Сосудистая система растений состоит из системы трубок, которые находятся под давлением и оказывают давление на эластичные ткани. Когда растение ранено, например, когда гусеница кусает лист, происходит изменение давления, которое может вызвать сопряженные нисходящие реакции.
Исследователи предполагают, что сдвиги давления могут вызывать массовый поток воды через растение, который переносит химикаты, выделяемые клетками в месте раны, в остальную часть растения. Одна из гипотез заключается в том, что такие химикаты могут вызывать выработку токсичной кислоты, отпугивающей насекомых.
Изменения давления также могут запускать механочувствительные каналы, расположенные вокруг сосудистой системы, чтобы открыться и высвободить кальций или другие ионы, которые имеют нисходящие эффекты. Поток кальция может затем потенциально вызвать экспрессию генов, которые являются частью защитной реакции.
«Мы пытаемся разработать растения-репортеры, которые будут сообщать нам, что они переживают в данный момент», - сказала Бачева. К ним относятся пигментные растения, которые меняют цвет, или флуоресцентные растения, которые загораются, когда им нужна вода. Конечная цель - иметь двунаправленную связь, чтобы не только растение-репортер могло сообщать, что ему нужна вода, но и фермер мог бы также информировать растение, что оно может быть сухим в течение многих дней, и растение должно использовать воду более эффективно.
«Мы находимся на этапе CROPPS, когда мы одновременно изучаем молекулярную биологию, биофизику, инженерное проектирование и интеграцию в агрономическую реальность с совершенно новыми концепциями и технологиями», - сказал Струк.
Источник: Cornell University. Автор: Кришна Рамануджан.
На заглавном фото - Весна Бачева, научный сотрудник CROPPS, тестирует часть прототипной системы, разработанной для обнаружения реакции на стресс в генно-кодируемом репортерном растении. Источник: Корнелльский университет.