Стрессоустойчивость растений планируют повысить с помощью «биоинженерии памяти»

Резуховидка Таля

Eric Belfield/University of Oxford

Группа ученых из России и Тайваня обнаружила, что две сигнальные системы растений связываются белком, ответственным за эффект «памяти к стрессам» и изменяющим хроматин. Используя данный механизм памяти, ученые планируют улучшить сельскохозяйственные растения, делая их более устойчивыми к засухе, повышенной влажности, экстремальным температурам. Результаты исследования опубликованы в журнале Trends in Plant Science.

Для защиты от экстремальных климатических условий растения используют сигнальную систему стрессового гормона — абсцизовой кислоты (ABA). Предполагается, что система ABA связана с системой белков теплового шока HSP/шаперонов, которая при разных стрессах усиливает работу этих белков.

В ходе работы рамках проекта, поддержанного грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда, исследователи из Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН и ученые из Национального Тайваньского университета определили, как формируется эта связь. Для этого ученые использовали популярное модельное растение — резуховидку (лат. Arabidopsis). Она может пройти полный цикл развития всего за шесть недель, что позволяет ускорить эксперименты.

«Ранее нами была получена карта белок-белковых взаимодействий Arabidopsis. Сейчас мы проанализировали ее и выяснили, что единственные факторы, связывающие обе системы, — это белки SWI/SNF CRCs, которые участвуют в формировании эффекта «памяти к стрессам», — рассказал руководитель проекта и один из авторов статьи, главный научный сотрудник ФНЦ биоразнообразия ДВО РАН Виктор Булгаков.

Эффект «памяти к стрессам» — это основной механизм защиты растений: они «запоминают» пережитые экстремальные условия и становятся устойчивее к ним. Сначала системы сигнализации белков теплового шока и АВА воспринимают полученную информацию о стрессах, а потом белки SWI/SNF CRCs сохраняют ее, меняя структуру хроматина. В результате растения приобретают стрессоустойчивость к тем условиям, в которых уже находились. Изученный механизм стал точкой отсчета для новых биоинженерных технологий, которые ученые назвали «биоинженерией памяти».

В ходе исследования авторы также установили, что при создании сигнальных путей ABA и HSP/шаперонов нужно учитывать состояние и изменение памяти растений к предыдущему стрессу. Например, у риса есть механизм памяти, отвечающий за долговременную термостойкость и связанный с системой белков теплового шока. Он развивался постепенно во время колонизации растений, причем в разных регионах по-разному, в зависимости от температуры. Поэтому у китайских и индийских подвидов риса механизм отличается по степени проявления.

Ученые планируют перейти от модельной резуховидки к сельскохозяйственным культурам. По их словам, для каждой страны задачи по «доработке» растений различаются.

«На Дальнем Востоке России наиболее популярны такие культуры, как рис, соя и кукуруза. Важно повысить их устойчивость к холоду и недостатку влаги. На Тайване нужны работы по развитию устойчивости растений к жаре и засухе; эта проблема сейчас вообще самая актуальная в мире. Новые подходы в рамках «биоинженерии памяти» способны помочь в решении и той, и другой задачи», — заключил Булгаков.