Революция в клонировании растений: новые горизонты сельскохозяйственной отрасли

В ходе масштабного международного исследования, длившегося восемь лет, исследователи из Школы наук о растениях и продовольственной безопасности Тель-Авивского университета и Института Волкани разработали новые соединения, которые значительно повышают эффективность укоренения черенков (небольших веток), взятых у зрелых деревьев. 

Исследователи отмечают, что укоренение черенков является ключевым элементом современной агротехники. Сегодня значительное количество плодовых деревьев, а также лесных и декоративных растений размножаются методом черенкования, что позволяет создавать генетические клоны растений с желаемыми характеристиками. Улучшение процесса укоренения может внести вклад в развитие мировой сельскохозяйственной отрасли в разных направлениях: создание новых высококачественных сортов, снижение цен для фермеров и потребителей, повышение экономической эффективности новых культур и адаптация растений к изменяющимся климатическим условиям.

Совершенствование природы

Исследование проводили доктор Рой Вайнштейн, аспирант Охад Рот из Школы наук о растениях и продовольственной безопасности ТАУ и доктор Эйнат Садот с кафедры наук о растениях Института Волкани. В исследовании также участвовали доктор Инна Винтс из Школы наук о растениях и продовольственной безопасности ТАУ, профессор Нир Бен-Таль и доктор Амит Кессель с кафедры биохимии и молекулярной биологии ТАУ, Села Ехезкель, Ори Сереро, Ави Элиягу, Пан Цеела, доктор Викс Двиведи, доктор Мира Кармели-Вайсберг, Феликс Шая, доктор Ади Файгенбоим-Дорон из Института Волкани и профессор Йосеф Риов с сельскохозяйственного факультета Еврейского университета в Иерусалиме. Исследование проводилось в сотрудничестве с учеными из США, Германии, Дании и Англии и было опубликовано в престижном журнале Nature Biotechnology.

Доктор Садот поясняет: "Вегетативное размножение черенками – это метод бесполого размножения растений. В этом методе выбирается ветка от растения с желаемыми свойствами (например, вкус плодов, устойчивость к засухе, устойчивость к болезням и т.д.), и части этой ветки, называемые черенками, подвергаются воздействию условиий, вызывающих их рост и преобразование в независимые растения. 

Новые растения, созданные таким образом, являются клонами с теми же генами, что и у материнского растения. Для экономической целесообразности укореняемость должна составлять как минимум 50-60%, и этот показатель является значимым для фермеров. Укореняемость варьируется между разными родами одного семейства, между видами одного рода и даже между сортами одного вида. Существуют важные сельскохозяйственные растения, которые особенно трудно укореняются".

Самые современные методы

Чтобы улучшить процент укореняемости растений, необходимо обрабатывать черенки фитогормоном ауксином – метод, открытый более 70 лет назад и с тех пор практически не изменившийся. 

Доктор Вайнштейн объясняет: "Эффективность существующей обработки ауксином варьируется от растения к растению. Многие важные сельскохозяйственные растения практически не реагируют на стандартную обработку ауксином и не могут быть коммерциализированы. В нашем исследовании мы стремились усилить эффект ауксина на черенки. Научная литература и наблюдения экспертов привели нас к вопросу: увеличится ли успех укоренения черенков при медленном высвобождении ауксина в растении?" 

Чтобы проверить это, исследователи создали “библиотеку” материалов на основе синтетических конъюгатов ауксина – молекул, в которых синтетический ауксин прикреплен к другой химической группе, нейтрализующей его активность, но способной медленно высвобождаться в клетках растений. Библиотека была протестирована на черенках зрелого эвкалипта, у которого стандартная обработка ауксином давала низкие показатели укоренения – всего 10-15%.

Аспирант Охад Рот объясняет: "Первоначальное тестирование выявило несколько соединений, оказывающих положительное влияние на процесс укоренения, и дальнейшие исследования сосредоточились на самом эффективном из них. Мы обнаружили, что это соединение обеспечивает сочетание высокой проницаемости для растения с пролонгированным высвобождением активного вещества, синтетического ауксина, так что ауксин остается в растении гораздо дольше – до полутора недель". Действительно, улучшенная обработка увеличила процент укореняемости черенков эвкалипта до 60% – в шесть раз выше, чем при использовании стандартного метода.

Чтобы глубже понять механизм действия нового соединения, исследователи использовали модельное растение Arabidopsis thaliana. Они обнаружили, что синтетический ауксин, используемый в новом материале, более стабилен (разрушается медленнее) в клетках растений по сравнению с ауксином, используемым в стандартной обработке. Кроме того, исследователи идентифицировали семейство ферментов в растении, ответственных за высвобождение синтетического ауксина. Моделируя структуру и биохимические свойства этих ферментов, они выявили важные характеристики их активности.

На следующем этапе исследователи хотели узнать, присутствуют ли аналогичные ферменты в других растениях, предполагая, что их наличие позволит использовать новый материал и в других культурах. Они обнаружили, что это семейство ферментов крайне древнее и сохранилось на протяжении эволюции во всех тестируемых деревьях. В свете обнадеживающих результатов они начали тестировать эффективность разработанных материалов на различных сельскохозяйственных культурах.

Преобразование деревьев аргании в сельскохозяйственные культуры

Одной из самых значимых культур, изученных в исследовании, является аргания – марокканское масло из дерева. Исследователи отмечают: "Мировой спрос на аргановое масло растет с каждым годом благодаря его использованию в различных продуктах питания, здоровья и ухода за кожей. Однако на сегодняшний день почти единственным источником этого масла являются плоды аргании, которые растут только в Марокко и размножаются половым путем, то есть через семена. 

Все попытки превратить арганию в сельскохозяйственную культуру, которую можно размножать черенками, потерпели неудачу – включая попытки в Израиле. В нашем исследовании мы взяли черенки с нескольких деревьев аргании, растущих в Израиле, подвергли их воздействию разработанного нами материала и таким образом смогли вырастить крупные саженцы из элитных отборов. В сотрудничестве с киббуцами Кетура, Бейт Кама, Хацеирим и Самар мы посадили плантации аргании, основанные на черенках отдельных образцов, укорененных с использованием нового материала, и сейчас исследуем возможность превращения их в сельскохозяйственную культуру".

Обнадеживающие результаты также были получены в экспериментах с черенками подвоев яблонь, тополей и других видов эвкалипта. Во всех случаях были достигнуты более высокие проценты укоренения – вдвое и более по сравнению со стандартной обработкой ауксином. Исследователи делают вывод: "В ходе исследования мы разработали материал, который значительно улучшает процент укоренения черенков зрелых деревьев. Это развитие может быть значимым для мировой сельскохозяйственной отрасли в трех аспектах:

• Снижение затрат: улучшение эффективности процедуры укоренения может значительно снизить стоимость получения саженцев для фермеров и, в конечном итоге, стоимость сельскохозяйственной продукции для потребителей.
• Повышение качества продукции: благодаря новому методу можно будет развивать и продавать больше высококачественных сортов, исключая необходимость "компромиссов" на менее качественные сорта только из-за их высокой укореняемости.
• Экологическая устойчивость: разработка новых сортов культур, адаптированных к изменяющимся климатическим условиям, необходима для поддержания сельскохозяйственного производства. Новый метод может ускорить этот процесс и сделать его более эффективным.

В последующих исследованиях мы планируем углубить понимание механизмов действия новых веществ и искать дополнительные соединения, возможно, еще более эффективные, которые можно использовать для замедленного высвобождения ауксина в растении".