Засоление почв становится серьезной проблемой для мирового сельского хозяйства. Из-за интенсивного искусственного орошения и повышения средних температур концентрация солей в грунте неуклонно растет. Это негативно сказывается на росте большинства культурных растений, которые плохо переносят избыток соли в корнеобитаемом слое. Ученые из Германии и Японии выявили ранее неизвестный механизм, позволяющий растениям сопротивляться неблагоприятным условиям. Исследование опубликовано в авторитетном научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

 

Как соль разрушает жизнь растений

Большинство выращиваемых человеком растений относятся к группе гликофитов. Они чувствительны к концентрации солей. При попадании в засоленную почву они испытывают стресс. Соль нарушает водный баланс клеток. В итоге растение может погибнуть. Лишь немногие виды, обитающие на побережьях, приспособились к таким условиям. Их называют галофитами. Однако и обычные культуры обладают скрытыми резервами устойчивости. Задача агрономов и биологов — понять молекулярные механизмы этой защиты.

Работа группы профессора Ирис Финкемайер из Института биологии и биотехнологии растений Университета Мюнстера и профессора Мотоаки Секи из исследовательского института RIKEN была посвящена изучению «гистонного кода». Это система химических меток, которые управляют активностью генов без изменения самой последовательности ДНК. Такой уровень регуляции называют эпигенетическим.

 

Роль гистонов в выживании организма

Гистоны представляют собой белки, вокруг которых намотана ДНК в ядре клетки. Они не содержат наследственную информацию, но определяют, какие гены будут «читаться», а какие останутся спящими. Важную роль в этом процессе играют химические модификации — так называемые гистоновые метки. Команда исследователей сосредоточилась на растении резуховидка Таля, часто используемом в лабораториях в качестве модельного объекта.

Ученые обнаружили конкретный фермент HDA19. Ранее было известно, что он участвует в развитии растения и его реакции на стресс. Новое исследование показало: именно этот фермент удаляет определенную гистоновую метку. Это запускает цепочку реакций, помогающих растению справляться с избытком соли. Если фермент не работает, устойчивость организма к соленой почве заметно возрастает.

 

Молекулярные инструменты адаптации

Для детального анализа процессов внутри клеток биологи применили комплекс современных методов. Это позволило увидеть, какие именно белки меняют свою активность под воздействием фермента HDA19. В ход пошли методы молекулярной генетики и высокоточная масс-спектрометрия.

В результате удалось установить список ключевых факторов, влияющих на выживаемость:

• белки LEA (поздние эмбриогенеза избыточные белки), которые обычно встречаются в сухих семенах и защищают клетки от высыхания;
• специфические изменения структуры гистона H3.3 в определенных позициях (лизин 27 и лизин 36);
• регуляция работы генов, отвечающих за транспорт ионов и поддержание водного баланса;
• синтез защитных соединений, препятствующих разрушению клеточных мембран под действием солей.

Оказалось, что у растений без функционирующего фермента HDA19 количество белков LEA увеличивается. Это помогает им лучше переносить засуху и засоление. Однако такое преимущество имеет свою цену.

 

Цена выживания в соленой среде

Повышенная устойчивость к стрессу не проходит бесследно для общего развития организма. Растения, которые лучше справляются с солью, начинают расти медленнее. Их биологические ресурсы перераспределяются. Вместо того чтобы тратить энергию на рост зеленой массы и формирование крупных семян, организм направляет силы на поддержание жизнедеятельности в экстремальных условиях.

Это создает определенный конфликт интересов для селекционеров. С одной стороны, нужно сделать культуру невосприимчивой к соли. С другой — нельзя допустить резкого падения урожайности. Исследователи отмечают, что найденный механизм поможет точечно влиять на нужные гены. Это позволит в будущем создавать сорта, которые эффективно сопротивляются стрессу, не теряя при этом в продуктивности.

 

Перспективы для мирового земледелия

Открытие немецких и японских ученых помогает глубже понять эпигенетическую регуляцию. Она оказывается критически важной для адаптации к меняющемуся климату. Понимание того, как фермент HDA19 и связанные с ним метки управляют чувствительностью к соли, открывает дорогу для новых методов генной инженерии.

Работа Флориана Котника и его коллег демонстрирует, что устойчивость можно регулировать тонкими настройками химических меток на гистонах. Вместо грубого вмешательства в ДНК можно использовать механизмы, которые уже заложены в природе. Это сделает сельское хозяйство более стабильным в регионах, где почвы постепенно становятся солончаками.

Исследование предоставляет фундаментальную базу для создания культур нового поколения. Они смогут расти там, где раньше это было невозможно из-за высокого содержания солей. Это особенно актуально для засушливых районов, где орошение водой низкого качества неизбежно ведет к накоплению солей в плодородном слое. Работа ученых — важный шаг на пути к обеспечению продовольственной безопасности в условиях глобального потепления.