К такому выводу пришла группа исследователей из Университета штата Пенсильвания, изучившая ксилему растения, которая перемещает воду вверх от корней к листьям. Ученые, сосредоточившиеся на длине элементов метаксилемных сосудов — длине отдельных трубчатых клеток внутри ксилемы, — опубликовали свои результаты в журнале Crop Science. Они обнаружили, что растения кукурузы с более длинными элементами метаксилемных сосудов также, как правило, имеют быстро удлиняющиеся корни, более глубокую корневую систему, более высокую способность к транспортировке воды, большее водопоглощение и улучшенную адаптацию к засухе. Эти признаки образуют взаимосвязанный синдром, который команда назвала «фенотипом растяжения».
«Засуха является основным фактором, ограничивающим урожайность сельскохозяйственных культур, и, по прогнозам, ситуация будет ухудшаться из-за изменения климата. Понимание и управление засухоустойчивостью сельскохозяйственных культур является неотложной задачей для мирового сельского хозяйства. Это исследование показывает, что растения кукурузы с более длинными элементами ксилемы более эффективно перемещают воду, развивают более глубокие корни, получают доступ к более глубоким слоям почвы и дают лучшие урожаи во время засухи», — сказал ведущий автор исследования Джонатан Линч, заслуженный профессор кафедры питания растений в Колледже сельскохозяйственных наук Университета штата Пенсильвания.
Исследователи обнаружили, что длина элементов метаксилемных сосудов у растений кукурузы естественным образом различается. Они проанализировали сотни растений кукурузы из разных генетических линий и регионов с различными характеристиками и выяснили, что у одних клетки ксилемы были длиннее, а у других — короче.
Так, более длинные элементы ксилемных сосудов связаны с меньшей высотой перфорационной пластинки — это означает, что в местах срастания клеток наблюдается меньшее сужение, что приводит к образованию более длинных непрерывных сосудов и лучшей гидравлической проводимости, показателя того, насколько легко вода перемещается по ткани или корню. Перфорационная пластинка ксилемы — это пористая концевая стенка, соединяющая два соседних элемента сосудов в сосудистой ткани растения. Растворяя эти концевые стенки во время созревания клеток, растения создают непрерывные открытые трубки, которые позволяют воде и минералам эффективно перемещаться от корней к листьям.
«Представьте себе это так: короткие трубы со множеством преград приводят к более медленному потоку, и наоборот, длинные, гладкие трубы обеспечивают более быстрый поток. Перфорационные пластины — это как крошечные перегородки между клетками ксилемы. Меньшие и более низкие преграды означают меньшее сопротивление потоку воды. Таким образом, более длинные элементы сосудов ксилемы создают более эффективную систему транспортировки воды», — объяснил Линч.
Доказательства, полученные из корней, полей и ДНК.
Что, возможно, еще более важно, по словам Линча, фенотип растяжения характеризуется более длинными клетками в различных тканях растений, включая корни, а это значит, что корни растут быстрее и проникают глубже в почву, что помогает им получать воду в условиях засухи.
Ученые использовали компьютерное моделирование для подтверждения фенотипа растяжения, моделируя, как характеристики ксилемы влияют на поток воды. Затем они проверили реальную корневую ткань кукурузы, выращенной в условиях засухи в теплице и в двух полевых условиях — на экспериментальной ферме Рассела Э. Ларсона при Университете штата Пенсильвания в центральной Пенсильвании и на исследовательской ферме Туниче недалеко от Гранероса, Чили. На участке в Пенсильвании команда использовала конструкции, препятствующие проникновению дождя, чтобы имитировать засушливые условия, в то время как на участке в Чили средиземноморский климат естественным образом остается сухим все лето.
Компьютерное моделирование, выращивание кукурузы в теплице и в полевых условиях продемонстрировали одну и ту же закономерность: растения с фенотипом растяжения лучше поглощали и транспортировали воду, что приводило к лучшему росту и урожайности в условиях засухи.
Используя полногеномное ассоциативное исследование — метод, который сканирует ДНК многих растений кукурузы для выявления генетических вариаций, связанных с определенным признаком, — ученые обнаружили ДНК-маркеры, связанные с более длинными элементами ксилемных сосудов и высотой перфорационной пластинки. Это показывает, что эти признаки, по крайней мере частично, контролируются генетически, отметил Линч.
В исследовании для более детального изучения пластинок перфорации ксилемы использовалась криосканирующая электронная микроскопия — метод визуализации, позволяющий ученым рассматривать деликатные образцы, такие как биологические ткани, путем их предварительной быстрой заморозки. Эта работа была выполнена в Центре микроскопии Института наук о жизни им. Хака при Университете штата Пенсильвания.
Ученые использовали лазерную абляционную томографию — передовую методику визуализации, разработанную лабораторией Линча десять лет назад, которая сочетает в себе импульсный УФ-лазер и серийную съемку для получения трехмерных изображений поперечных срезов корней кукурузы с высоким разрешением, — чтобы изучить различия между растениями кукурузы с более длинными элементами ксилемных сосудов и меньшей высотой перфорационной пластинки, а также без них.
На этих изображениях, полученных с помощью криосканирующей электронной микроскопии, показаны продольный и поперечный разрезы корней кукурузы, демонстрирующие перфорационные пластинки внутри метаксилемных сосудов и длину элементов метаксилемных сосудов. Длинные, гладкие сосуды обеспечивают более быстрый поток, создавая более эффективную систему транспортировки воды, сообщили исследователи. Автор фото: Кристофер Строк/Университет штата Пенсильвания.
Результаты этого исследования позволяют предположить, что селекционеры могли бы улучшить засухоустойчивость кукурузы, отбирая растения с фенотипом растяжения, отметил Линч. Синдром растяжения, обнаруженный командой, был охарактеризован исследователями как «плейотропный», то есть он возникает, когда один генетический участок влияет на несколько, казалось бы, несвязанных признаков. В данном случае, объяснил Линч, фенотип, по-видимому, контролируется одним или двумя основными генами, что облегчает его изолирование
«Семенные компании всегда заинтересованы в признаках, которые можно использовать для выведения более качественных культур, и, безусловно, засуха представляет собой самый большой риск для производства сельскохозяйственных культур на Земле, в том числе и в таких богатых странах, как США. Фермеры обычно не поливают кукурузу, поэтому они зависят от климата, который довольно изменчив. Например, в этом году значительная часть кукурузного пояса США была довольно засушливой. Поэтому все, что мы можем сделать для улучшения способности кукурузы противостоять засухе, будет важно. Результаты этого исследования указывают на потенциальный путь для выведения более засухоустойчивых культур», — заключил он.
В число авторов, связанных с Университетом штата Пенсильвания, входят первый автор и ведущий исследователь Кристофер Строк, который во время проведения исследования работал постдокторантом в лаборатории Линча, а сейчас является специалистом по фенотипированию сельскохозяйственных культур в компании John Deere; Коди ДеПью, научный сотрудник Университета штата Пенсильвания в области растениеводства; и Джагдип Сидху, получивший докторскую степень в области сельскохозяйственных и экологических наук о растениях в Университете штата Пенсильвания и в настоящее время являющийся доцентом кафедры биологии корней в Университете Миссури.
Источник: Pennsylvania State University. Автор: Джефф Малхоллем.
На фото: первый автор исследования Кристофер Строк (справа) руководит сбором образцов кукурузы в полевых условиях на исследовательском участке в Чили, которые затем транспортируются в полевые палатки для подготовки и обработки образцов. Кукуруза для исследования также выращивалась в Сельскохозяйственном исследовательском центре имени Рассела Э. Ларсона при Университете штата Пенсильвания. Автор фото: Кристофер Строк/Университет штата Пенсильвания.
