Растение, которому угрожает болезнь, будет защищаться, вырабатывая гормоны, которые могут поддерживать его жизнеспособность, но также замедлять его рост — что является проблемой, если растение необходимо для производства продуктов питания. Генетически манипулируя гормональной реакцией широко изучаемого растения, ученые из Университета объединили лучшие качества обоих подходов — иммунитет и продуктивность — и считают, что это можно воспроизвести в сельскохозяйственных культурах. Результаты их исследований опубликованы в журнале Current Biology.
«Только время покажет, какой эффект это окажет после внедрения в сельскохозяйственные культуры, но у этого метода есть потенциал стать таким же прорывом, как и «зеленая революция» 60 лет назад, в плане продовольственной безопасности», — сказала Крис Аргуэсо, доцент кафедры сельскохозяйственной биологии университета и старший автор исследования.
В ходе «зеленой революции» генетик и фитопатолог Норман Борлауг обнаружил мутацию пшеницы, которая значительно увеличила урожайность. Он разработал сорта, которые выращивались по всему миру, предотвратив голод. Борлаугу приписывают спасение миллиарда человек от голода, и за свое открытие он получил Нобелевскую премию мира. Недостатками «зеленой революции» считают широкое использование агрохимических удобрений и пестицидов, необходимых для высокопродуктивных сортов.
Если исследователям из Университета штата Колорадо удастся генетически отредактировать сельскохозяйственные культуры, сделав их более продуктивными и устойчивыми к болезням, то для их выращивания потребуется меньше удобрений и меньше химикатов для профилактики заболеваний, что сделает эту революцию «более экологичной». Конечно, добавление удобрений всегда будет способствовать росту, даже у растений, которые от природы продуктивны; но пока исследователи сосредоточены на внедрении этих полезных свойств в важные продовольственные культуры — пшеницу, кукурузу и сою.
«Мы хотим создать сельскохозяйственные культуры, которые смогут очень хорошо защищаться от патогенов, но при этом не будут снижать урожайность, что является мечтой фермеров», — сказала Аргуэсо. «Мы шутим, что это „зеленая“ революция», добавила она.
Одно из сходств между работой Борлауг и работой Аргуэсо заключается в том, что ее лаборатория также работает с гормональным мутантом. Исследователи изучали модельное растений резуховидка Таля, Arabidopsis thaliana, и отобрали представителей вида, у которых была аутоиммунная мутация, препятствующая их нормальному развитию — подобно аутоиммунному заболеванию.
Растения реагируют на постоянно меняющиеся условия окружающей среды с помощью специфических для растений гормонов, называемых фитогормонами. Аргуэсо называет это «химическим мозгом» растения. Когда растения испытывают стресс из-за вредителей или болезней, выработка цитокининовых гормонов, отвечающих за деление клеток, подавляется в результате компромисса между ростом и защитой. Понимая взаимодействие фитогормонов и восстанавливая уровень цитокининов в растениях с чрезмерно активной иммунной системой, ученые смогли возобновить рост, не оказывая негативного влияния на защитные механизмы растения. Также созданные ими растения оказались более устойчивыми к болезням.
Хотя подход исследователей основан на генетических манипуляциях для изменения химических сигналов растения, он гораздо быстрее и проще, чем идентификация и изменение конкретного гена, ответственного за это, путем картирования всего генома растения, что является стандартной практикой для модификации характеристик сельскохозяйственных культур. Аргуэсо сравнивает их более простое решение с тем, как врач может выписать таблетку для коррекции химического дисбаланса. Она ожидает, что разработанные ими мутации будут полезны в сельском хозяйстве в течение десятилетий.
«Мы изучаем возможности сотрудничества с селекционными программами по всему миру, чтобы можно было протестировать это в разных регионах на самых разных культурах. Если эти мутации обладают тем потенциалом, который мы предполагаем, мы хотели бы, чтобы их использовали повсеместно», — сказала Аргуэсо.
Исследование возглавила Грейс Джонстон, которая проводила его еще будучи студенткой. Джонстон была принята в лабораторию Аргуэсо, будучи студенткой-биологом, и написала эту работу в качестве своей магистерской диссертации. Сейчас она является научным сотрудником в этой лаборатории и считает, что именно наставничество Аргуэсо помогло ей добиться успеха и полюбить биологию растений. Джонстон получила престижные стипендии от Национального научного фонда и Американского общества биологов растений для поддержки своей работы во время обучения в бакалавриате и магистратуре.
«Это история успеха научных исследований в Университете штата Колорадо, — сказала Джонстон. — Крис взяла меня к себе, когда я ничего не знала о науке, и вот, восемь лет спустя, у нас есть возможность реально повлиять на продовольственную безопасность».
Аргуэсо с энтузиазмом вдохновляет молодых исследователей, таких как Джонстон. Студенты из ее лаборатории впоследствии получили важные национальные и международные награды, и в настоящее время в ее команде работают три студента-исследователя.
Второй автор, Ханна Берри, была аспиранткой кафедры клеточной и молекулярной биологии университета в лаборатории Аргуэсо; сейчас она работает научным сотрудником в компании Pairwise, занимающейся биотехнологиями растений и редактированием генов. Соавтор Хитоши Сакакибара, профессор растениеводства в Университете Нагои и Центре устойчивого ресурсоведения RIKEN в Японии, является одним из ведущих мировых экспертов по количественному определению растительных гормонов. Микико Кодзима, научный сотрудник Центра устойчивого ресурсоведения RIKEN, также внесла свой вклад в исследование.
Источник: Colorado State University.
