Поскольку глобальные температуры продолжают расти, экстремальные волны тепла представляют значительную угрозу для производительности сельского хозяйства.
Исследования показывают, что при каждом повышении температуры на 1°C по сравнению с доиндустриальным уровнем урожайность сельскохозяйственных культур снижается примерно на 6-8%. Поэтому способность растений выдерживать тепловой стресс имеет решающее значение для обеспечения продовольственной безопасности, однако основные молекулярные механизмы в значительной степени остаются неясными.
Однако теперь новое исследование под руководством группы профессора Сюй Цао в Институте генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук проливает свет на адаптивную стратегию, которая может иметь решающее значение в разработке устойчивых к жаре сортов сельскохозяйственных культур в условиях усиливающегося изменения климата.
В частности, исследование раскрывает новый механизм, с помощью которого растения томата активно смягчают тепловой стресс и стабилизируют урожайность посредством перепрограммирования развития апикальных стволовых клеток побегов. Исследование опубликовано в журнале Developmental Cell.
Стволовые клетки в апикальной меристеме побега (shoot apical meristem - SAM) необходимы для воздушного морфогенеза - процесса, посредством которого растения развивают надземные структуры - и напрямую влияют на урожайность. Однако тепловой стресс может вызвать аномальную дифференциацию или даже некроз этих стволовых клеток, что приводит к дефектам развития, гибели растений и значительным потерям урожая. Поэтому понимание того, как стволовые клетки SAM адаптируются к тепловому стрессу, имеет решающее значение для совершенствования методов выращивания и выведения более устойчивых сортов сельскохозяйственных культур.
В своем исследовании профессор Сюй Цао и его команда определили ключевой молекулярный механизм адаптации в растениях томата. При тепловом стрессе активные формы кислорода (reactive oxygen species - ROS) накапливаются и способствуют разделению фаз Terminating Flower (TMF), флорального репрессора. Эта модификация продлевает транскрипционную репрессию генов идентичности цветка конденсатами TMF, эффективно перепрограммируя развитие SAM. Задерживая созревание побегов, растение продлевает вегетативный рост, что позволяет ему избегать преждевременных репродуктивных переходов в неблагоприятных условиях.
На раннем вегетативном этапе роста растения томатов могут входить в состояние, похожее на покой, в ответ на тепловой стресс, временно приостанавливая свою программу созревания. После нормализации температуры развитие возобновляется, обеспечивая стабильную урожайность. Было показано, что эта стратегическая приостановка предотвращает 34-63% потерь урожая в первой плодовой кисти, что подчеркивает ее важную роль в устойчивости к жаре.
Растения томата замедляют созревание меристемы побегов, чтобы достичь устойчивости к тепловому стрессу. Источник: IGDB.
Исследование предполагает, что этот механизм «хеджирования ставок», контролируемый окислительно-восстановительным процессом, функционирует как стратегия выживания для сидячих растений, позволяя им откладывать цветение в неблагоприятных условиях и одновременно обеспечивать репродуктивный успех после того, как экологические стрессы стихнут.
Исследователи подчеркнули, что это открытие обеспечивает новую концептуальную основу для разработки климатически-умных культур с экологически чувствительной стабильностью урожая. Механистические идеи, выявленные в этом исследовании, могут направлять усилия по точной селекции, направленные на повышение производительности сельского хозяйства в условиях меняющегося климата.
Источник: Chinese Academy of Sciences.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.
