Ежегодно во всем мире наводнения и заболачивания по причине осадков затрагивают около 27% пахотных земель, при этом ежегодные расходы ущерба от наводнений за последние 50 лет превысили 19 миллиардов долларов США.
Интенсификация глобального водного цикла, вызванная изменением климата, по-видимому, приводит к увеличению случаев заболачивания, оказывая давление на продуктивность растений. Таким образом, для поддержания продуктивности крайне важно изучить механизмы устойчивости растений к переувлажнению, включая один из наиболее популярных овощей – огурец.
Исследовательская группа Университета Янчжоу, Китай, значительно продвинулась в решении этого вопроса.
«Огурец, выращиваемый ради сочных плодов, особенно уязвим к затоплению из-за мелкой структуры корней и высокой потребности в кислороде. Весенние муссонные дожди вызывают заболачивание в районе дельты реки Янцзы и на юге Китая, что снижает урожайность огурцов на открытых полях и в теплицах. Поэтому крайне важно исследовать молекулярный механизм устойчивости огурцов к заболачиванию, чтобы смягчить пагубное воздействие заболачивания на огурцы», пишет команда исследователей в статье, опубликованной в журнале Horticultural Research.
В ответ на стресс, связанный с переувлажнением, растения используют различные механизмы. К ним относятся морфологические изменения, удаление активных форм кислорода (АФК) и регуляция генов, реагирующая на гипоксию. Например, переувлажнение нарушает динамический баланс АФК в растительных клетках, что вызывает всплеск и в процессе усиление перекисного окисления, перекисного окисления мембранных липидов и клеточную дисфункцию. Растения, испытывающие стресс, вызванный переувлажнением, полагаются на антиоксидантную ферментативную систему и другие активные антиоксидантные вещества для поддержания динамического баланса АФК.
С другой стороны, придаточные корни – укореняющиеся корни, прорастающие у некоторых растений из некорневых тканей, активно развиваются в ответ на стрессовые обстоятельства, включая переувлажнение, дефицит питательных веществ или ранение.
Растения обычно переживают стресс заболачивания, развивая придаточные корни, образуя аэренхиму, метаболизируя энергию и сигнализируя фитогормоны. Придаточные корни улучшают газообмен, поглощение питательных веществ и заменяют первичные корни, которые отмирают в условиях переувлажнения. Придаточные корни есть у таких растений, как подсолнечник, кукуруза, рис, томат, огурец и других, в качестве важнейшего компонента устойчивости к заболачиванию. Механизм развития придаточных корней, вызванных заболачиванием, часто включает баланс синтеза и транспорта различных эндогенных фитогормонов и регулирует реакцию на заболачивание через сложную сигнальную сеть. Несколько гормонов положительно регулируют образование придаточных корней, вызванных заболачиванием, включая этилен и ауксин.
Однако, генотипы огурца по-разному реагируют на стресс заболачивания в плане формирования придаточных корней. Так, в этом исследовании показано, что инбредная линия огурца европейского тепличного типа YZ026A имеет сильную устойчивость к заболачиванию, тогда как инбредная линия огурца северокитайского типа YZ106A имеет слабую устойчивость к заболачиванию. Линия YZ026A генерировала много придаточных корней, тогда как YZ106A почти не генерировала их.
Комплексный сравнительный анализ транскриптома на основе секвенирования РНК выявил сложную сеть из 2616 дифференциально экспрессируемых генов (DEG), которые реагируют на стресс, вызванный заболачиванием. Ген CsPrx73, выделяющийся среди них, играет центральную роль в адаптивной реакции огурца.
Для дальнейшего подтверждения функции CsERF7-3 исследователи создали волосатые корни огурца, сверхэкспрессирующие CsERF7-3, используя штамм Agrobacterium rhizogenes K599.
Было показано, что сверхэкспрессия гена CsPrx73 в трансгенной инбердной линии огурца значительно усилила образование придаточных корней, которые жизненно важны для выживания растения в заболоченных условиях. Более того, эти растения демонстрируют повышенную способность к удалению АФК, что является критическим защитным механизмом против окислительного повреждения, вызванного переувлажнением.
Исследование также раскрывает ключевую регуляторную роль транскрипционного фактора ERF CsERF7-3, связывающегося с промотором CsPrx73 и инициирующего его экспрессию, тем самым активируя защитные механизмы растения против водного стресса. Этот сложный молекулярный диалог представляет собой новую цель для стратегий улучшения сельскохозяйственных культур и обеспечивает основу для понимания более широких генетических реакций на экологический стресс, заключили авторы исследования, подчеркнул, что оно предоставляет большой интерес для последующих инициатив по селекции огурца.
По статье авторов (Цзявэй Пан, Цзя Сон, Хамза Сохаил, Рахат Шариф, Вэньцзин Ян, Цимин Ху, Сяохуа Ци, Сяодун Ян, Сювэнь Сюй, Сюэхао Чен), опубликованной в журнале Horticultural Research. Изображение принадлежит группе указанных авторов.
