Биологи из Института Солка, специализирующиеся на растениях, применили передовые методы одноклеточной и пространственной транскриптомики, чтобы подробно изучить, как небольшое модельное цветковое растение Arabidopsis thaliana восстанавливается после засухи.
Они установили, что иммунитет стал главным приоритетом растения в этот постзасушливый период, наблюдая за быстрой активацией иммуностимулирующих генов по всему участку листьев Arabidopsis. Этот усиленный иммунный ответ, получивший название «иммунитет, вызванный восстановлением после засухи» (Drought Recovery-Induced Immunity, DRII), наблюдался также у диких и одомашненных томатов, что позволяет предположить, что приоритет иммунитета сохраняется в ходе эволюции и, вероятно, наблюдается и у других важных культур.
Результаты исследования, которые опубликованы в журнале Nature Communications, помогают прояснить реакцию растений на засуху для селекции засухоустойчивых культур.
«Засуха представляет собой серьёзную проблему для растений, но пока ещё не до конца понятно, как они восстанавливаются после возвращения воды. Мы обнаружили, что вместо ускорения роста, чтобы компенсировать потерянное время, Arabidopsis быстро активирует скоординированный иммунный ответ. Это открытие подчёркивает, что восстановление — критически важный этап генетического перепрограммирования, и указывает на новые стратегии создания сельскохозяйственных культур, способных более эффективно восстанавливаться после воздействия окружающей среды», — говорит старший автор Джозеф Экер, профессор, председатель Международного совета по генетике Института Солка и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
Арабидопсис вот уже полвека служит важной лабораторной моделью для фитобиологов. Растение легко и быстро выращивается, а его геном относительно прост по сравнению с другими растениями. Но, что особенно важно, многие отдельные гены в геноме арабидопсиса являются общими для многих видов растений, включая такие важные в сельском хозяйстве культуры, как томаты, пшеница и рис.
У арабидопсиса, как и у всех растений, есть одна общая черта — потребность в воде. Это маленькое растение впитывает воду через микроскопические поры на своей «кожице», но эти поры также могут представлять опасность для растения, поскольку напрямую обнажают его уязвимые внутренние органы. Это заставляет растение искать баланс между поглощением воды и защитой от вредоносных факторов окружающей среды, таких как патогены. Баланс становится ещё сложнее во время восстановления после засухи. Без воды растение закрывает поры и входит в стрессовое состояние, останавливая рост и истощая запасы воды. Когда вода возвращается, поры быстро открываются, чтобы утолить жаждущее растение, вновь подвергая его опасностям внешнего мира. Итак, как же растения защищаются от этого внезапного натиска в процессе восстановления после засухи?
«Мы много знаем о том, что происходит с растениями во время засухи, но практически ничего не знаем о том, что происходит в этот критический период восстановления. Этот период восстановления невероятно генетически активен и сложен, поскольку мы уже обнаружили процессы, о которых даже не подозревали — или даже не предполагали — как о части восстановления. Теперь мы точно знаем, что восстановление заслуживает дальнейшего изучения», — говорит первый автор исследования Натанелла Иллуз-Элиаз, научный сотрудник лаборатории Экера.
Исследователи взяли растения Arabidopsis, пережившие засуху, и снова поместили их в воду. Они наблюдали за изменениями в экспрессии генов на листьях растений, начиная с 15 минут и постепенно увеличивая время до 260 минут. Быстрота наблюдения отличает исследование, поскольку биологи растений часто не собирают данные сразу после регидратации.
«Что здесь действительно невероятно, — добавляет Иллуз-Элиаз, — то, что мы бы полностью упустили это открытие, если бы не решили собрать данные на столь ранних этапах».
Хотя все клетки листа арабидопсиса имеют одинаковый генетический код, экспрессия каждого гена в этом коде варьируется от клетки к клетке. Набор генов, экспрессируемых каждой уникальной клеткой, определяет её идентичность и функцию. Эффективное выявление паттернов экспрессии генов, различающихся между микроскопическими клетками, требует применения сложных технологий генного секвенирования, таких как транскриптомика отдельных клеток и пространственная транскриптомика.
Старые методы требовали, чтобы учёные брали лист, измельчали его и измеряли общие паттерны экспрессии. Транскриптомика отдельных клеток позволяет учёным фиксировать экспрессию генов в клеточном контексте, что, в свою очередь, более точно отражает клеточную динамику в тканях растения. Помимо этой впечатляющей точности на уровне отдельных клеток, пространственная транскриптомика анализирует эти отдельные клетки в физическом контексте целого растения. С помощью этого метода учёные могут обрабатывать лист (или его часть) как единое целое, чтобы увидеть, как различается экспрессия генов в соседних клетках во время засухи или восстановления.
Всего через 15 минут после повторного полива ученые увидели активацию спящих генов. Паттерны экспрессии значительно изменились во многих клетках листа, активируя один ген за другим, пока тысячи новых генов не стали активными. Эти многочисленные гены запустили иммунный ответ восстановления после засухи DRII.
В уязвимый период повторного полива DRII встал на защиту Arabidopsis, защитив растение от патогенов.
Обнаружив DRII у Arabidopsis, учёные задались вопросом, подвержены ли дикие и культивируемые растения томата этому же воздействию. Оба вида томатов действительно демонстрировали DRII, что, как и у Arabidopsis, повышало их устойчивость к патогенам. Эти данные, полученные при изучении томатов, также указывают на то, что иммунный ответ может быть характерен для многих других видов растений и сельскохозяйственных культур.
Ученым ещё предстоит изучить этот быстрый иммунный ответ. Прежде всего, процесс регидратации начинается в корнях. Как же сигнал распространяется так быстро от корней к листьям, приводя к изменениям экспрессии генов всего за 15 минут? И что это за сигнал?
Исследователи также полагают, что результаты исследования могут помочь изменить взгляд на стресс растений. Возможно, растения сосредоточены не только на выживании и росте, но и на подготовке к тому, что произойдет после возвращения воды. И, возможно, соотношение между выживанием и долголетием зависит от системы, которая распознает интенсивность стресса.
«Наши результаты показывают, что восстановление после засухи — это не пассивный процесс, а высокодинамичное перепрограммирование иммунной системы растения. Определив ранние генетические события, происходящие в течение нескольких минут после регидратации, мы можем начать выявлять молекулярные сигналы, координирующие восстановление после стресса, и исследовать, как эти механизмы можно использовать для повышения устойчивости растений», — заключает Экер.
Среди других авторов — Цзинтин Юй, Джозеф Свифт, Кэтрин Ланде, Брюс Джоу, Лия Партида-Гарсия, Трэвис Ли, Роза Гомес Кастанон, Уильям Оуэнс, Чинна Боуман, Эмма Осгуд, Джозеф Нери и Тацуя Нобори из Солка; а также За Кхай Туанг, Ади Яаран, Йотам Зайт и Сол Бурдман из Еврейского университета в Иерусалиме.
Источник: Salk Institute. Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63467-2
