Заслуженный профессор Колледжа сельского хозяйства, продовольствия и природных ресурсов Университета Миссури Рон Миттлер работает с концепцией мультифакторного стресса у растений.
Как поясняет исследователь, ученые в основном детально описывают конкретные изолированные механизмы чувствительности или устойчивости, подвергая подопытные культуры исключительно засухе или только экстремальной температуре. Подобный подход помогал понять реакцию организма на конкретные вызовы в контролируемой среде, но реальная природа устроена гораздо сложнее. Обычное растение на фермерском поле в штате Миссури одновременно принимает на себя удары палящего солнца, иссушающего зноя и засоленной почвы, а затем может внезапно столкнуться с наводнением или химическим загрязнением, которые проявляются с непредсказуемой интенсивностью, в течение разного времени и в самых неожиданных сочетаниях.
Так, во время эксперимента с модельным растением резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) исследовательская группа во главе с Миттлером смоделировала естественные полевые условия, обрушив на образцы комбинацию из чрезмерной жары, интенсивного солнечного света и высокой концентрации соли в почве. Оказалось, что выживание в этой критической ситуации целиком зависело от работы единственного белка под названием bHLH35. Растения, у которых этот белок был искусственно заблокирован, погибали под комплексным давлением среды, в то время как генетически модифицированные образцы с дополнительным объемом bHLH35 оставались здоровыми и жизнеспособными.
Самым интересным открытием для молекулярных биологов стало то, что этот белок оказывается совершенно бесполезным, если растение сталкивается с каждым из перечисленных стрессов по отдельности. Он не защищает культуру отдельно от жары, отдельно от соли или отдельно от избытка света, а его спасительная генетическая программа активируется исключительно в момент синергетического эффекта, когда все три деструктивных фактора бьют по организму одновременно.
Профессор объясняет это тем, что одновременное сочетание стрессоров вызывает специфическую биологическую реакцию, которая не возникает при изолированном воздействии. По его словам, реакция на сумму факторов А и B может принципиально отличаться от реакций на А и B по отдельности, разрушая привычные линейные представления ученых. В условиях «тройного шторма» bHLH35 объединяется с другим белком (NAC069) и запускает работу гена LBD31. Это активирует выработку флавоноидов и регулирует сигнализацию этилена, что подавляет накопление опасных активных форм кислорода, спасая клетки от гибели.
Это открытие побудило команду Миттлера выступить с глобальным манифестом на страницах научного журнала Nature Reviews Molecular Cell Biology. Авторы призывают коллег со всего мира отказаться от устаревших однофакторных тестов и перестроить лабораторные эксперименты так, чтобы они наконец начали отражать истинную сложность природы. Понимание взаимодействия множественных стрессовых факторов поможет ученым лучше изучать растения, животных или целые экосистемы, подверженные одновременному воздействию загрязнения воздуха, пестицидов, микропластика и климатических изменений, что послужит основой для разработки глобальных стратегий по защите биоразнообразия Земли.
Миттлер видит колоссальные возможности применения своих разработок и в практической медицине, проводя аналогию с онкологией и лечением тяжелых инфекций. Предыдущие исследования его лаборатории показали, что как только организм одновременно подвергается воздействию четырех или пяти стрессовых факторов, его состояние начинает резко ухудшаться. Этот критический порог можно использовать в интересах человека при лечении рака или устойчивых бактериальных инфекций. Если комбинация двух или трех тяжелых препаратов оказывается неэффективной, то комбинация четырех или пяти лекарств, применяемых в более малых дозах, может прицельно уничтожить больные клетки, не вызывая при этом побочных эффектов и вреда.
Хотя концепция мультифакторного стресса звучит просто, ее практическое изучение остается невероятно трудоемким и дорогостоящим процессом.
Добавление каждого нового стрессового фактора, изменение его интенсивности, продолжительности и последовательности экспоненциально увеличивает количество условий, которые биологам необходимо проанализировать. Профессор Миттлер утверждает, что эти затраты оправданны, и выражает надежду, что стремительные достижения в области искусственного интеллекта и других современных аналитических инструментов помогут исследователям эффективно осмысливать огромные массивы генетических данных.
Сам ученый уже много лет активно привлекает внимание к этой теме через научные публикации, выступления на международных конференциях и социальные сети, отмечая, что все больше исследователей по всему миру начинают перенимать этот подход.
Работая в Университете Миссури, Миттлер подчеркивает, что именно тесное междисциплинарное сотрудничество с коллегами из Центра биологических наук имени Бонда помогло окончательно сформировать его взгляды. Возможность работать плечом к плечу с полевыми агрономами позволила биологу увидеть сельскохозяйственные культуры в тех суровых условиях, в которых они действительно растут. Этот опыт выявил важнейшие агрономические аспекты, которые оставались незаметными в стенах изолированной лаборатории, и помог науке сделать огромный шаг навстречу пониманию реального мира.
Источник: University of Missouri. На фото: Рон Миттлер. Источник фото: Университет Миссури.
