Учёные ДВФУ и ДВО РАН: как снизить потери урожая в жаре, холоде и засухе

Молекулярные биологи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН) в сотрудничестве с коллегами из Национального университета Тайваня проанализировали современное научное знание о механизмах реакции растений на разные виды стресса, спровоцированного негативными факторами окружающей среды. Учёные предложили биоинженерные методы, позволяющие развить в культурных растениях наследственную память о реакции на стресс и сохранить стабильность получаемого урожая. Обзор на эту тему опубликован в Trends in Plant Science.

Международные команды биотехнологов уже давно принимают меры, чтобы повысить устойчивость растений к главным стрессовым факторам, влияющим на потерю урожая: жаре, холоду, недостатку/избытку света, засухе/переизбытку влаги, а также различным комбинациям этих факторов. Однако существующие методы не учитывают в полном объёме механизм сопротивления стрессу, основанный на разных вариантах межклеточной коммуникации в растительных организмах.

Исследователи из ДВФУ, ДВО РАН и Национального университета Тайваня обратили особое внимание на то, как взаимодействуют между собой главные механизмы, с помощью которых клетки растений узнают о стрессовой ситуации и реагируют на неё — сигнальные подсистемы абсцизовой кислоты (ABA) и белков теплового шока. Учёные указали, что важную роль во взаимодействии этих подсистем играют SWI/SNF белки, отвечающие за ремоделирование хроматина — основы хромосом, в которых сосредоточена подавляющая часть наследственной информации и которые предназначены для её хранения, реализации и передачи. Эти белки, в конечном счёте, могут быть вовлечены в формирование памяти растения о пережитом стрессе. Именно с ними учёные предлагают проводить биоинженерные операции для повышения стрессоустойчивости растений.

«SWI/SNF — это ремоделирующий комплекс, содержащийся во всех организмах, клетки которых имеют ядра. Эта группа протеинов отвечает за способ переупаковки ДНК в ядрах. В растениях комплекс отвечает за рост, развитие, реакцию на стресс и — вместе с сигнальными подсистемами ABA и белков теплового шока, которые он связывает, — за формирование памяти о пережитом стрессе. Мы изучили существующие по этому вопросу научные работы, и на их основе предложили несколько способов искусственно скорректировать SWI/SNF хроматин-ремоделирующие белки, а также связанные с ними компоненты сигнальных подсистем таким образом, чтобы в растении первого и последующего поколений развивалась память о перенесённом стрессе. Таким образом, мы говорим о концепции биоинженерной памяти растений, которая позволит повысить их стрессоустойчивость», — рассказал доктор биологических наук, профессор ДВФУ, член-корреспондент Российской академии наук Виктор Булгаков. Именно ему принадлежит концепция опубликованной статьи.

Учёный добавил, что механизм памяти растений о пережитом стрессе и передача «воспоминаний» от первого к последующим поколениям на сегодняшний день ещё малоизученная область, однако исследования в этой сфере привлекают к себе всё больше внимания.

В своей статье исследователи предупреждают об умеренности, которая необходима в биоинженерных манипуляциях со стрессоустойчивостью растений. Все методы должны максимально напоминать природную адаптацию растений к стрессу. Кроме того, при планировании всех последующих экспериментов по улучшению стрессоустойчивости, необходимо учитывать феномен «памяти» растений.

«Для этого биотехнологи могут использовать самые современные технологии геномного редактирования. Например, метод CRISPR-Cas9 позволяет „подправить“ функцию гена растений без привнесения в их ДНК чужеродной информации. Это значит, что в России можно полностью отказаться от продуктов ГМО в традиционном понимании этого термина. Собственно, на это и направлены работы по гранту, в рамках которого опубликована наша статья. В США продукты, созданные с применением технологии CRISPR-Cas9 признаны неотличимыми от полностью натуральных», — отметил Виктор Булгаков.

Гипотеза о том, что черты, приобретенные в одном поколении, могут передаваться и последующим, была впервые высказана Ламарком в 19 веке. В начале 20-го века эта идея побудила академика Лысенко в СССР попытаться выращивать пшеницу в неподходящем климате. Последствия эксперимента были разрушительны. Позже концепция наследственности приобретенных признаков рассматривалась с разумной степенью скептицизма, пока её популярность не была оживлена несколько лет назад прогрессом в области геномики и эпигенетики.

Сейчас уже достоверно известно, что предыдущее умеренное воздействие может защитить растение от стресса в будущем или способствовать его акклиматизированному состоянию, которое может сохраняться до последующего воздействия. Таким образом, широко признано, что растения обладают способностью к тому, что можно назвать памятью.

Исследование поддержано грантами Российского научного фонда (№ 18-44-08001) и Министерства науки и технологий Тайваня (№ 105-2311-B-002-033-MY3 и № 107-2923-B002-003-MY3).

Пресс-служба ДВФУ,

press@dvfu.ru