Научный прорыв поможет увеличить урожайность растений в засушливых условиях

Новое открытие Тель-Авивского университета позволило культивировать сорта томатов с повышенной водоэффективностью без снижения урожайности. Применяя технологию генетического редактирования CRISPR, исследователи смогли вырастить томаты, которые потребляют меньше воды при сохранении урожайности, качества и вкуса.

Исследование проводилось в лабораториях профессора Шауля Яловского и доктора Нира Саде, и было возглавлено командой исследователей из Школы наук о растениях и продовольственной безопасности на факультете наук о жизни им. Вайза при Тель-Авивском университете. В команду вошли доктор Малликарджуна Рао Пули, бывший постдокторант под руководством проф. Яловского, и Пьюрити Мучоки, докторантка под совместным руководством проф. Яловского и д-ра Саде. К исследованию присоединились студенты и постдокторанты из Школы наук о растениях и продовольственной безопасности ТАУ, а также исследователи из Университета Бен-Гурион и Орегонского университета. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале PNAS.

Исследователи объясняют, что в свете глобального потепления и уменьшения пресноводных ресурсов растет потребность в сельскохозяйственных культурах, потребляющих меньше воды без снижения урожайности. Однако, поскольку сельскохозяйственные культуры зависят от воды для роста и развития, особенно сложно выявить подходящие сорта растений.

В процессе, называемом транспирацией, растения испаряют воду через листья. Одновременно углекислый газ поступает в листья и ассимилируется в сахар посредством фотосинтеза, который также происходит в листьях. Эти два процесса — транспирация и поглощение углекислого газа — происходят одновременно через специальные отверстия на поверхности листьев, называемые устьицами. Устьица могут открываться и закрываться, служа механизмом, через который растения регулируют водный статус.

Исследователи подчеркивают, что в условиях засухи растения реагируют, закрывая устьица, тем самым снижая потерю воды при транспирации. Проблема в том, что из-за неразрывной связи между транспирацией воды и поглощением углекислого газа, закрытие устьиц приводит к снижению поглощения углекислого газа растением. Это уменьшение поглощения углекислого газа приводит к снижению производства сахара посредством фотосинтеза. Поскольку растения зависят от сахара, произведенного в процессе фотосинтеза, как от жизненно важного источника энергии, сокращение этого процесса негативно влияет на рост растений.

В сельскохозяйственных культурах снижение производства сахара при фотосинтезе проявляется как снижение количества и качества урожая. Например, у томатов ущерб урожаю выражается в уменьшении количества плодов, их веса и содержания сахара в каждом плоде. Плоды с низким содержанием сахара менее вкусные и менее питательные.

В настоящем исследовании ученые внесли модификацию в томат с помощью генетического редактирования методом CRISPR, нацеленного на ген, известный как ROP9. Белки ROP функционируют как переключатели, переключаясь между активным и неактивным состоянием.

Проф. Яловский: "Мы обнаружили, что удаление ROP9 с помощью технологии CRISPR вызывает частичное закрытие устьиц. Этот эффект особенно выражен в полдень, когда скорость потери воды растением в процессе транспирации достигает максимума. Напротив, утром и после обеда, когда скорость транспирации ниже, не наблюдалось значительной разницы в скорости потери воды между контрольными растениями и растениями с модифицированным ROP9. Поскольку устьица оставались открытыми утром и после обеда, растения могли поглощать достаточно углекислого газа, предотвращая снижение производства сахара при фотосинтезе даже в послеобеденные часы, когда устьица были более закрытыми у растений с модифицированным ROP9."

Чтобы оценить влияние модифицированного ROP9 на урожай, исследователи провели масштабный полевой эксперимент с участием сотен растений. Результаты показали, что хотя растения с модифицированным ROP9 теряют меньше воды при транспирации, это не оказывает негативного влияния на фотосинтез, количество или качество урожая (содержание сахара в плодах). Более того, исследование выявило новый и неожиданный механизм регулирования открытия и закрытия устьиц, связанный с уровнем окислительных веществ в них, известных как активные формы кислорода. Это открытие имеет большое значение для фундаментальных научных знаний.

Доктор Саде: "Существует большая схожесть между ROP9 у томатов и белками ROP, обнаруженными в других сельскохозяйственных культурах, таких как перец, баклажаны и пшеница. Поэтому открытия, изложенные в нашей статье, могут стать основой для разработки других сельскохозяйственных культур с повышенной водоэффективностью и для более глубокого понимания механизмов открытия и закрытия устьиц."