Группа исследователей из Центра изучения растений им. Дональда Данфорта, Университета Флориды в Гейнсвилле и Университета Айовы разработала инструменты, позволяющие злаковым культурам, включая такие основные зерновые культуры, как кукуруза, выступать в качестве живых биосенсоров, способных обнаруживать мельчайшие количества химических веществ в полевых условиях.
Руководители проекта Дмитрий Нусинов, доктор философии, и Малия Гехан, доктор философии, возглавили работу по созданию сортов злаковых, которые в ответ на определенные химические сигналы вырабатывают видимый фиолетовый пигмент, антоцианин. В сочетании с передовыми системами визуализации и анализа эти растения могут сообщать даже о крайне низких уровнях воздействия химических веществ, загрязнения или других неблагоприятных условиях, которые могут повлиять на урожай и здоровье человека.
Результаты их исследования «Дистанционное зондирование эндогенной пигментации с помощью индуцируемых синтетических цепей в злаковых растениях» опубликованы в журнале Plant Biotechnology Journal.
«Что если бы растения могли предупреждать фермеров о неблагоприятных условиях или сигнализировать о нежелательных химикатах?» — предположила исследовательская группа.
Хотя есть уже много работ по растительным биосенсорами, большинство инструментов было разработано для двудольных видов, таких как модельное растение из семейства крестоцветных резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Виды злаков — однодольные — отстают в этом плане, несмотря на то, что являются основой мирового производства зерна. Растительные пигменты, такие как каротиноиды, беталаины и антоцианы, адаптируются в качестве неинвазивных визуальных индикаторов для мониторинга экспрессии генов в растениях.
Нусинов и Гехан успешно адаптировали генетическую схему, индуцируемую лигандом, которая активирует собственный путь синтеза антоцианов у растения, в модельной злаковой культуре фотосинтеза C4 щетинник зелёный (Setaria viridis). Эти новые инструменты можно использовать для того, чтобы стимулировать у таких злаков, как кукуруза, выработку фиолетового пигмента, антоциана, при воздействии определенных химических веществ.
Ключевые достижения включают в себя:
- Выявление двух факторов транскрипции, которые могут совместно экспрессироваться из одного транскрипта для запуска производства антоцианов.
- Демонстрация как конститутивного, так и лиганд-индуцируемого образования пигментов в протопластах и целых растениях.
- Разработка методов гиперспектральной визуализации и дискриминативного анализа, позволяющих неразрушающим способом обнаруживать изменения пигментации на близком расстоянии.
В совокупности эти достижения демонстрируют надежную систему для точного дистанционного измерения воздействия химических веществ на злаковые растения, открывая путь для сельскохозяйственных культур, способных активно передавать информацию об условиях окружающей среды.
«Зерновые культуры лежат в основе глобальной продовольственной безопасности, — сказал Нусинов. — Использование растений в качестве индикаторов на полях может повысить продовольственную безопасность и устойчивость сельского хозяйства».
Данное исследование представляет собой важный шаг на пути к созданию систем мониторинга растений, способных обнаруживать загрязнение пестицидами, их снос на нецелевую культуру или другие факторы окружающей среды, влияющие на урожайность сельскохозяйственных культур. По мере совершенствования инструментов обнаружения, способность растений «сообщать» о собственных стрессовых факторах может преобразовать управление растениеводством и повысить его устойчивость.
В поддержку открытой науки как молекулярные инструменты для создания этих сенсоров для злаковых растений, так и методы чувствительного обнаружения изменений пигментации были размещены в общедоступных репозиториях, что позволяет другим ученым развивать эту работу и ускорять инновации в области синтетической биологии растений.
«Мы хотели создать систему, которую другие исследователи могли бы легко использовать. Публичный доступ к нашим разработкам и методам визуализации ускорит инновации в научном сообществе», — говорит Гехан.
В число участников проекта вошли Алина Заре, доктор философии, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Флориды, Гейнсвилл, директор Института исследований искусственного интеллекта и информатики Университета Флориды, Гейнсвилл; и Сьюзан Мирдинк, доктор философии, доцент Школы наук о Земле, окружающей среде и устойчивом развитии Университета Айовы.
Источник: Donald Danforth Plant Science Center.
На фото Setaria viridis — вид злаковых, похожий на кукурузу и сорго, генетически модифицированный для производства природного фиолетового пигмента, антоцианина, используемого в качестве визуального индикатора наличия химических веществ в окружающей среде. На фотографии слева — дикий вид Setaria viridis (зеленые растения), справа — генетически модифицированные растения (фиолетовые растения). Фото: Центр растениеводства им. Дональда Данфорта.
