Киноа, аллотетраплоидная культура, происходящая из Южной Америки, очень питательна, содержит значительное количество белка, углеводов, незаменимых аминокислот, витаминов, минералов и антиоксидантов и признана во всем мире за свои исключительные питательные качества и устойчивость к абиотическому стрессу.
Перу и Боливия доминируют в мировом производстве киноа, на долю которых в 2020 году пришлось 97%. Хотя выращивание киноа в Индии привлекает внимание, оно охватывает всего 440 гектаров с производством 1053 тонны. Вместе с тем в Индии известен местный генотип киноа с повышенной стрессоустойчивостью, который стал предметом исследований команды ученых, о чем рассказал на портале Science X Dialog профессор Улхас Кадам, доктор философии.
Улхас Кадам работает профессором-исследователем в Отделении прикладных наук о жизни и Исследовательском центре молекулярной биологии растений и биотехнологии Национального университета Кёнсан, Южная Корея. Профессор Кадам получил степень магистра биологической химии и докторскую степень биологической инженерии в Университете Пердью. Он был получателем всемирно известной стипендии Александра фон Гумбольдта в Германии за исследования в области биологии растений. Профессор Кадам является высококвалифицированным и признанным на международном уровне исследователем в области биологии растений, молекулярной патологии и сельскохозяйственной биотехнологии.
«В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Genes, наша команда идентифицировала и охарактеризовала 10 генов антипортера натрия/водорода (NHX) из генома киноа, которые играют решающую роль в способности этой замечательной культуры выдерживать суровые условия окружающей среды. Это открытие дает важные сведения о том, почему киноа может процветать в условиях, которые уничтожили бы большинство других продовольственных культур, - говорит Кадам. - Мы начали наше исследование, сосредоточившись на киноа (Chenopodium quinoa Willd.), которая давно нас очаровывала как факультативный галофит с исключительной устойчивостью как к засухе, так и к засолению. Это делает киноа не только ценной продовольственной культурой, но и прекрасной моделью для понимания того, как растения адаптируются к вызовам окружающей среды».
Благодаря комплексному геномному анализу ученые успешно идентифицировали 10 генов NHX (Na+/H+ antiporter), принадлежащих к суперсемейству моновалентных катион/протонных антипортеров 1 (CPA1). Эти гены являются критически важными компонентами в клеточных механизмах растений для управления ионным балансом в условиях стресса.
«Гены антипортера Na + /H + (NHX) принадлежат к семейству моновалентных транспортеров катионов/H + (CPA1), которое является частью большого суперсемейства катионно-протонных антипортеров (CPA). Эти белки функционируют как насосы и обнаруживаются в мембранах клеток и органелл. Они обладают отдельным доменом обменника Na + /H + , который играет решающую роль во время стресса, транспортируя ионы Na + в обмен на H +», пояснил исследователь.
Ученые провели подробный анализ этих генов, изучив их филогенетические связи , мотивные паттерны и структурные характеристики. Это тщательное исследование позволило классифицировать их на три отдельных подсемейства, каждое из которых играет уникальную роль в системе реакции растений на стресс.
Ученые исследовали их физико-химические свойства, включая их изоэлектрическую точку (pI), значения GRAVY и трансмембранные домены, что дало ценную информацию об их функциональных механизмах. Белки NHX обычно поддерживают 10–12 трансмембранных доменов и включают потенциальный сайт связывания амилорида (FFIYLLPPI), где амилорид связывается с исключительно высоким сродством и функционирует как конкурентный ингибитор ионов Na + , блокируя их сайты связывания.
«Наш анализ показал, что эти гены NHX стратегически расположены на разных клеточных мембранах — вакуолярных, плазменных и эндосомальных. Это распределение не случайно, а представляет собой сложную систему, которая позволяет киноа регулировать ионный гомеостаз во всей клетке. Структурное и функциональное разнообразие, которое мы наблюдали среди этих генов, предполагает, что они развили специализированные роли, помогая растению адаптироваться к различным стрессовым факторам окружающей среды. Мы провели подробный анализ промотора, который выявил многочисленные цис-элементы, связанные с реакциями на абиотический стресс, сигнализацией фитогормонов и регуляцией света. Это открытие предполагает, что эти гены реагируют на сложную сеть экологических и внутренних сигналов, позволяя киноа динамически корректировать свои физиологические реакции на изменяющиеся условия. Наличие этих регуляторных элементов объясняет, как киноа может чувствовать и реагировать на вызовы окружающей среды с удивительной точностью», - рассказывает Улхас Кадам.
Для экспериментальной проверки ученые использовали генотип киноа Him Shakti, полученный из Центра улучшения сельскохозяйственных культур в Сельскохозяйственном университете Сардаркрушинагар Дантивада, Индия. Этот местный сорт был специально адаптирован к индийским условиям и обладает превосходной пищевой ценностью с высоким содержанием белка 15,64% и содержанием масла 8,91%. Он также демонстрирует повышенную устойчивость к различным стрессам, что делает его идеальным для селекционных программ.
«Возможно, наиболее яркая часть нашего исследования была получена из количественного ПЦР-анализа, где мы изучали, как эти гены ведут себя, когда растения киноа сталкиваются со стрессом от соли и засухи. Растения подвергались обработке 300 мМ NaCl для солевого стресса с образцами, собранными через 0, 6, 12 и 24 часа, в то время как стресс от засухи имитировался путем прекращения полива с образцами, собранными через 0, 3, 5 и 7 дней. Мы обнаружили интересные дифференциальные паттерны экспрессии среди генов CqNHX в этих стрессовых условиях. Особенно примечательным было наше наблюдение, что вакуолярные NHX показали значительно более высокую индукцию в тканях листьев при солевом стрессе. Это открытие подчеркивает их важную роль в связывании натрия и поддержании ионного баланса, что по сути позволяет растению изолировать вредные ионы соли от чувствительных клеточных механизмов.
Наш эволюционный анализ этих генов выявил высокую степень консервации в пределах подсемейств, наряду с доказательствами очищающего отбора. Это говорит о том, что эти гены сохранялись в течение эволюционного времени из-за их основных функций в адаптации к стрессу, что подчеркивает их фундаментальную важность для стратегии выживания киноа», - отмечает Улхас Кадам.
Полученные в ходе этого исследования знания значительно расширяют понимание молекулярной основы стрессоустойчивости киноа. Определив эти ключевые гены и охарактеризовав их функции, авторы предоставили ценные цели для генно-инженерных усилий, направленных на повышение устойчивости сельскохозяйственных культур к экологическим вызовам.
В мире, сталкивающемся с растущей климатической неопределенностью, особенно в условиях глобального потепления и проблемных почв, эти результаты могут способствовать созданию более устойчивых продовольственных культур, способных выдерживать суровые условия выращивания.
Данное исследование представляет собой значительный шаг вперед в нашем стремлении понять, как растения адаптируются к сложным условиям окружающей среды, и предлагает многообещающие пути для повышения продовольственной безопасности в условиях изменения климата. Абиотические стрессы, такие как засуха и засоление, влияют примерно на 45% сельскохозяйственных земель мира, что делает это исследование особенно своевременным и актуальным.
Раскрывая генетические секреты, лежащие в основе удивительной стрессоустойчивости киноа, исследователи надеются вдохновить коллег на разработку новых подходов к улучшению сельскохозяйственных культур, которые могут принести пользу фермерам и потребителям во всем мире.
В исследовании участвовали Сельскохозяйственный университет Сардаркрушинагар Дантивада, Индия; Подразделение Plant Omics, CSIR-Центральный научно-исследовательский институт солей и морских химикатов (CSIR-CSMCRI), Индия; Центр исследований молекулярной биологии растений и биотехнологии Национального университета Кёнсан, Республика Корея.
Источник: Science X Dialog. Автор: Улхас Кадам.
Фото: Pixabay/CC0 Public Domain.
