Засухоустойчивость растений: Недопустимое название — Юнциклопедия

ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ

Засухоустойчивость растений — это способность растений переносить значительное обезвоживание и перегрев своего организма, выживать во время засухи с наименьшим снижением урожайности.

При засухе резко падает влажность воздуха, возрастает температура почвы и воздуха, растениям не хватает влаги. Начинается обезвоживание их клеток, тканей и органов. В растительном организме снижается синтез белка, нарушается структура цитоплазмы и энергетический обмен. В результате замедляется или прекращается рост растений, нарушается их развитие, снижается урожайность. При длительной засухе растения гибнут. Засухоустойчивость в основном определяется наследственными особенностями растений.

Самые засухоустойчивые растения, или ксерофиты, имеют различные приспособления: колючки вместо листьев, опушение, восковой налет, глубоко проникающую корневую систему, которые помогают им легче переносить засуху, экономно расходовать влагу, препятствуя ее испарению. Среди сельскохозяйственных культур типичных ксерофитов очень мало. Это люцерна, сафлор, шафран (крокус) и некоторые другие. К ксерофитам относятся дикорастущие растения пустынь, полупустынь и сухих степей. Большинство возделываемых растений — мезофиты. Они умеренно влаголюбивы. Многие из них засухоустойчивы, например просо, сорго, подсолнечник, тыква. Степные сорта пшеницы более засухоустойчивы, чем сорта из Нечерноземной зоны.

Засухоустойчивость зависит также от фазы развития растений. Молодые растения, особенно всходы, плохо переносят засуху. Устойчивость к засухе повышается по мере роста и развития, однако с началом образования генеративных органов, в фазе бутонизации и цветения, она резко падает.

Растения могут приспосабливаться к недостатку влаги. В этом им помогает предпосевное закаливание семян (см. Закаливание растений). Растения вырабатывают приспособительные реакции к засухе: съеживание клеток, расходование воды, вырабатываемой в процессе дыхания, и др. Растения, перенесшие засуху, легче переносят ее вторично. Чтобы повысить засухоустойчивость растений, советские селекционеры выводят специальные сорта сельскохозяйственных культур. Своевременное внесение фосфорных и калийных удобрений также повышает засухоустойчивость. Большое значение для борьбы с засухой имеет орошение. Чтобы сохранить влагу в почве, ранней весной проводят боронование, рыхление междурядий, снегозадержание, выращивают защитные насаждения.

• Предыдущее: ЗАСЛОН
• Следующее: ЗАТВОР

Сбалансированное питание как средство повышения засухоустойчивости

Дефицит влаги значительно уменьшает поступление и транспорт питательных веществ, которые поглощаются растением с водой, как способом массового тока, так и диффузией. Сочетание негативного воздействия экологических стрессов с нарушениями режима питания приводит к значительным потерям производительности сельхозкультур. Современные технологии предусматривают ряд подходов для повышения стрессоустойчивости, снижение непроизводительных потерь воды и минимизации вредного воздействия водного стресса на растения. При этом, сбалансированное питание растений является действенной стратегией повышения эффективности использования воды и сохранения урожая.

Реакция растений на засуху

При недостатке влаги в растениях происходят значительные изменения обмена веществ. Содержание свободной воды в клетках уменьшается и повышается концентрация клеточного сока. Проницаемость мембран возрастает и снижается активность ферментов, структура белков и других полимеров нарушаются, что в конечном итоге приводит к их денатурации. Гидролиз различных органических веществ начинает преобладать над их синтезом. Происходит накопление низкомолекулярных белков, усиливается распад полисахаридов и увеличивается концентрация растворимых углеводов. С одной стороны, это осмотически активные вещества, и увеличение их содержания способствует повышению концентрации вакуолярного клеточного сока и росту осмотического давления, а значит, и большему поступлению воды. С другой стороны, состав клеток меняется, значительная часть ионов выходит из клеток, что приводит к подавлению синтеза и инактивации ферментов. В итоге нарушается баланс между производством активных форм кислорода (АФК) и защитных антиоксидантов, вызывая их накопление, что приводит к окислительному повреждению белков, мембранных липидов и других клеточных компонентов.

В результате происходит задержка роста, вследствие торможения клеточного деления и растяжения клетки становятся мельче. Ограниченное поступление воды тормозит фотосинтез растений, что обусловлено закрытием устьиц и уменьшением поступления углекислого газа, а также нарушением структуры митохондрий и синтеза хлорофилла. К тому же во время засухи накапливаются токсические продукты обмена в клетках.

Механизмы толерантности (рис. 1) обеспечивают растениям выживание и рост при низком водного потенциале. Питательные вещества растений играют очень важную роль в повышении эффективности использования воды и засухоустойчивости в условиях ограниченного водоснабжения. И главное, обеспечение растений соответствующими макро- и микроэлементами, даже в условиях воздействия неблагоприятных факторов, позволяет получать стабильные высокие урожаи.

Роль питательных веществ

Оптимальное обеспечение макроэлементами и особенно своевременное их поступления имеют решающее значение в повышении эффективности использования влаги растением. Известно, что на фоне дефицита азота и фосфора значительно снижается способность клеток корня к поглощению воды и питательных веществ. Обеспечение калием смягчает последствия водного стресса путем регулирования открывания и закрывания устьиц, уменьшением транспирационных потерь влаги, поддержания осмотического давления, тургора клеток и активации ферментных систем.

Высокоэффективным оказалось применение кремниевых препаратов в условиях засухи. Кремний способствует улучшению эффективности использования воды и стимуляции антиоксидантной системы защиты. Увеличение синтеза антиоксидантов и снижение генерации АФК, приводит к уменьшению фотоокислительного повреждения, поддержанию целостности мембран хлоропласта и усилению толерантности растений к засухе. Формирование биокремниевых структур в клетках эпидермиса листьев препятствует потерям воды из-за уменьшения кутикулярной транспирации, диаметра устьиц в условиях засухи и снижению температуры листовой поверхности. Кроме того, подкормка кремнием приводит к увеличению объема и веса корневой системы и улучшения поглощения влаги.

Цинк играет важную роль в регуляции устьиц и балансе ионов в растительных клетках. Кроме того, Zn является коферментом для синтеза триптофана, предшественника ауксина. Повышение уровня ауксина улучшает рост корней, что, в свою очередь, повышает устойчивость к засухе. Под действием цинка усиливается активность антиоксидантных ферментов, что способствует уменьшению генерации АФК и защищает клетки от окислительного повреждения.

Медь смягчает неблагоприятное воздействие водного стресса путем улучшения обмена азота, стимулирования образования фенольных соединений и лигнина, который повышает устойчивость клеточных стенок и предотвращает увядание.

Внекорневые подкормки бором способствуют транспорту сахаров, сохранению цветков, образованию и прорастанию пыльцы. Бор стимулирует синтез гетероауксина и лигнина, усиливает дифференциацию ксилемы. Его применение активирует антиоксидантную систему.

Молибден также существенно влияет на повышение засухоустойчивости. Молибденоферменты участвуют в биосинтезе абсцизовой кислоты — фитогормона, который регулирует работу устьиц. Его накопление способствует сокращению потерь воды, активации регулируемых стрессом генов и облегчением стресса от засухи.

Эффективными для повышения засухоустойчивости являются внекорневые подкормки удобрениями на основе экстрактов морских водорослей и аминокислотными препаратами (рис. 2). Они содержат компоненты, способствующие формированию развитой корневой системы и повышению использованию влаги. Антистрессовое действие проявляется в регуляции работы устьиц и транспирации, синтезе антиоксидантных ферментов, фенольных соединений и повышении прочности клеточных стенок, снижает чувствительность растений к дефициту влаги. Скорректировать минеральное питание и подготовить растение к засухе можно путем внекорневой подкормки растений соответствующими удобрениями.

Понимание основных механизмов, связанных со стрессом во время засухи, дает представление возможных стратегий повышения эффективности использования водных ресурсов и смягчения негативного воздействия от недостатка влаги. И именно обеспечение растений оптимальным уровнем питательных веществ в критические фазы их развития является действенной стратегией повышения засухоустойчивости и сохранения урожайности растений.

С. Полянчиков, директор по развитию,

О. Капитанская, научный консультант НПК «Квадрат»

Журнал «Пропозиція», №7-8, 2018 р.

Засухостойчивые растения | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

Небывалая жара, от которой на протяжении с лишним трёх недель изнывала Западная Европа, наконец-то отступила. Однако причинённый ею ущерб – экологический, экономический и социальный – не поддаётся оценке. В одной только Франции жара унесла жизни более чем 3-х тысяч человек – в основном, пожилых. Многочисленные пожары в Португалии, Испании, Италии, Франции, Греции уничтожили леса на площади в сотни тысяч гектаров, в огне погибли десятки людей, тысячи лишились крова. И в довершение всего, фермеры жалуются на вызванные засухой потери урожая зерновых культур: в частности, в Германии эти потери составляют, в зависимости от региона, от 15-ти до 80-ти процентов.

Казалось бы, с сельскохозяйственным аспектом жары справиться проще, чем, скажем, с лесными пожарами или массовыми инфарктами миокарда. Тем более что учёные всего мира – генетики и селекционеры – давно работают над выведением засухоустойчивых растений. В ряде лабораторий США и Японии уже получены первые опытные образцы пшеницы и рапса, вроде бы способные без особого ущерба для себя переносить засуху. И всё же дело продвигается с трудом. Оказалось, что повысить, скажем, сопротивляемость растения насекомым-вредителям гораздо проще, чем укрепить его засухоустойчивость – несмотря на то, что все предпосылки для этого налицо. Профессор Томас Альтман (Thomas Altmann), научный сотрудник Института молекулярной физиологии растений имени Макса Планка в Гольме близ Потсдама, поясняет:

Совершенно очевидный аспект здесь состоит в том, что практически любое растение способно выдержать самую страшную засуху. Ведь любое растение даёт семена, которые высыхают и могут в таком состоянии пребывать долго, а если их увлажнить, они набухают и прорастают. Значит, в принципе все растения имеют набор генов, помогающих преодолевать засушливые периоды. Всё дело в регуляции: когда и где активируются гены, реализующие эти защитные свойства.

Для профессора Альтмана, как и для большинства других исследователей, специализирующихся на генетике растений, главным модельным организмом является резушка Таля (Arabidopsis thaliana). Среди учёных этот небольшой вездесущий сорняк знаменит ничуть не меньше, чем плодовая муха Drosophila melanogaster или червячок Caenorhabditis elegans. С резушкой Таля работает и Казуо Шинозаки (Kazuo Shinozaki) из японского научно-исследовательского центра RIKEN. Проведённые им и его коллегами опыты показали, что количество генов, реагирующих на засуху, у резушки Таля приближается к тысяче. Понятно, что целенаправленно повлиять на столь сложные взаимосвязи исследователи не могут. Поэтому они попытались выяснить, каков механизм управления всеми этими сотнями генов, и при этом обнаружили, что существует всего четыре регулятора, способных запустить генетическую программу защиты от засухи. Обычно в клетках растения имеется лишь по одной копии каждого из таких регуляторов. Доктор Казуо Шинозаки внедрил в наследственный материал резушки дополнительные копии этих регуляторов, чтобы усилить реакцию растения на засуху. Результаты, полученные японскими учёными, профессор Альтман считает очень важными:

Мы видим: сверхактивность этих основных регуляторов – мы называем такое их состояние гиперэкспрессией – приводит к тому, что растение сохраняет свежесть и жизнеспособность, в то время как обычные, не модифицированные экземпляры полностью засыхают и гибнут. Экспериментальные данные и фотоснимки, представленные господином Шинозаки, впечатляют: его подопытные растения действительно гораздо лучше переносят засуху.

На минувшей неделе коллеги профессора Альтмана – учёные Ботанического института при Боннском университете – сообщили о том, что ими выделен ген, обеспечивающий высокую засухоустойчивость одного из южноафриканских растений – Craterostigma plantagineum, – известного своей способностью месяцами обходиться без воды. Этот ген контролирует синтез особого фермента альдегид-дегидрогеназы, который защищает растение от действия ядов, накапливающихся в нём в период засухи. Боннские исследователи внедрили ген в наследственный материал резушки Таля, что повысило её выживаемость в условиях засухи до 16-ти дней – обычные растения гибнут уже через 12 дней. Правда, едва ли найдётся крестьянин, который обрадуется, узнав, что теперь сорняки могут стать более засухоустойчивыми, чем выращиваемые им полезные культуры. Но цель всех этих исследований, конечно, не в том, чтобы вывести более жизнеспособные сорта сорняков, – говорит профессор Альтман:

Знания, полученные в ходе экспериментов с резушкой Таля, данные о механизме такой регуляции, конечно же, могут быть перенесены на другие растения. И есть основания полагать, что внедрение гена, позаимствованного у резушки Таля, скажем, в такой родственный ей вид того же семейства крестоцветных как рапс вызовет аналогичную реакцию.

Однако прежде, чем фермеры засеют поля трансгенными засухоустойчивыми сортами зерновых культур, пройдёт ещё немало времени. Во-первых, всё ещё неясно, как генетически модифицированные растения повлияют на здоровье населения. Во-вторых, искусственно внедрённые гены склонны постепенно распространяться, и если ген засухоустойчивости попадёт в сорняк, это может иметь далеко идущие негативные последствия. А в-третьих – и это, наверное, для фермеров самое важное, – пока непонятно, как обстоит дело с урожайностью таких трансгенных культур: ведь постоянная готовность противостоять засухе требует от растения лишних расходов энергии, а это снижает урожайность.

Но если придать растениям засухоустойчивость учёные могут лишь методами генной инженерии, то в борьбе с насекомыми-вредителями они располагают более широкими возможностями. Помимо генной инженерии и использования пестицидов успех сулит «биологическое оружие», то есть естественные враги вредных насекомых. До сих пор в качестве таковых использовались бактерии, грибы и другие насекомые. Теперь пришла очередь червей. Ральф-Удо Элерс (Ralf-Udo Ehlers), сотрудник рабочей группы «Биотехнология» Института фитопатологии Кильского университета, говорит:

Нематоды – это ленточные черви. Некоторые из них вам наверняка известны, они встречаются в рыбе.

Несколько лет назад в Германии в ряде рыбных продуктов были обнаружены крохотные червячки, что вызвало грандиозный скандал. Однако Элерс и его коллеги занимаются другими – полезными – нематодами:

Эти черви, с которыми мы работаем, являются очень специфическими организмами. Они уничтожают только насекомых. Мы разбрызгиваем раствор, в котором содержатся мельчайшие черви, с помощью обычного опрыскивателя – таким распыляют пестициды. Червячки сразу проникают в почву и убивают обитающих там вредителей.

Сегодня уже более десятка видов ленточных червей несут службу на полях. Их главное достоинство – избирательность: каждый вид червей специализируется на каком-то одном виде вредителей, не причиняя никакого вреда прочей фауне. Но у биологического оружия есть и недостатки. Во-первых, оно дороже, чем пестицидная дубина. А во-вторых…

Ещё одна проблема заключается в том, что мы, несмотря на очень долгие исследования, продолжающиеся уже более 15-ти лет, до сих пор очень мало знаем о процессах, происходящих в почве, о взаимном влиянии отдельных организмов в этой экосистеме. А это необходимо знать, чтобы применять метод на больших площадях, –

говорит Франк Тильман (Frank Tillmann), сотрудник кильской фирмы «e-nema». Впрочем, учёных интересует и ещё одна проблема:

Это тоже очень интересный вопрос: насколько удастся использовать нематод против насекомых-вредителей, обитающих не в почве, а непосредственно на растениях? Дело в том, что нематоды очень чувствительны к высыханию, они плохо переносят ультрафиолетовое излучение. Разработать составы, которые защищали бы нематод, своего рода солнцезащитный крем для ленточных червей – это очень сложная задача.

А как обстоит дело с экологической безопасностью такого биологического оружия? Не может ли оно причинить серьёзный вред окружающей среде? Хейкки Хокканен (Heikki Hokkanen), сотрудник Хельсинского университета, говорит:

За последние 5 лет в рамках ЕС мы попытались разработать методику оценки риска, связанного с использованием живых организмов в борьбе с вредителями. Не могут ли заодно пострадать другие – возможно, редкие, – виды насекомых или сами растения, подлежащие защите? Наш опыт свидетельствует о том, что это дело совершенно безопасное. Вся история применения биологических методов борьбы с вредителями знает всего лишь 3 или 4 случая, когда вообще возникли какие-то проблемы.

И всё же главным средством борьбы с сельскохозяйственными вредителями были и остаются пестициды. Что до биологических методов, то Ральф-Удо Элерс признаёт:

Они всё ещё относительно дороги. А потому проникли пока лишь на малые рынки. Я имею в виду декоративное растениеводство, овощеводство и садоводство. Большие рынки – рапс, пшеница, ячмень – ещё для этого не созрели.

Но если с вредителями ещё можно бороться, используя их естественных врагов, то в борьбе с сорняками альтернативы химии нет. В то же время не секрет, что широкомасштабное применение гербицидов наносит ущерб окружающей среде. Гораздо разумнее – и с экологической, и с финансовой точек зрения, – было бы прицельно опрыскивать лишь сами сорняки. Чтобы обеспечить фермерам такую возможность, датские учёные сконструировали специального робота. Внешне он напоминает большую детскую игрушку: алюминиевая рама на четырёх колёсах, сверху смонтированы два металлических ящика, соединённых кабелями и проводами. Свенд Кристенсен (Svend Christensen), научный руководитель Датского института сельскохозяйственных исследований в Хорсенсе, говорит:

Наш робот имеет привод на все четыре колеса. Длина машины – метр, ширина – полметра. На раме установлен прибор, поддерживающий связь с глобальной спутниковой радионавигационной системой GPS, что позволяет роботу определять своё местоположение с точностью до нескольких сантиметров. Цифровая камера регистрирует окружающую растительность, полученные снимки поступают в бортовой компьютер. На нём установлена специальная программа, позволяющая идентифицировать растения по внешнему виду.

Помимо Кристенсена и его коллег, в создании робота принимали участие сотрудники университетов Ольборга и Копенгагена.

Мы добились высокой надёжности в распознавании 15-ти видов сорняков, наиболее широко распространённых в Дании. Лучше всего результаты бывают весной, когда у сорняков ещё не очень много листьев, и они не заслоняют друг друга. Но это и неплохо – в конце концов, любой крестьянин хочет избавиться от сорняков как можно раньше.

Правда, пока робот занимается лишь регистрацией сорняков. Опираясь на собранные им данные, фермеры потом сами опрыскивают гербицидами наиболее поражённые сорняками участки поля.

Преимущество робота в том, что он позволяет экономить гербициды за счёт их прицельного применения. Эта экономия достигает 70-ти процентов.

Со временем датский робот и бороться с сорняками будет самостоятельно. Тут возможны два технических решения. Первое: обнаружив и идентифицировав сорняк, робот опрыскает его гербицидом. Второе:

Другой исследовательский проект предусматривает создание самоходного аппарата для автоматизированной механической прополки. Такой робот может найти применение на плантациях сахарной свёклы и других культур, высаживаемых рядами, – там ему достаточно свободного пространства.

На полях, засеянных овсом, пшеницей или кукурузой, такой робот столкнётся с большими трудностями. Во-первых, растения стоят слишком плотно, роботу негде развернуться. А во-вторых:

Если иметь в виду злаки, то многие сорняки внешне очень похожи на зерновые культуры. Различить их – задача для робота пока непосильная.

Робот должен появиться на рынке через 2-3 года. Массового распространения он, скорее всего не получит, поскольку стоит слишком дорого, а гербициды – слишком дёшево. Кристенсен рассчитывает на фермеров, специализирующихся на производстве экологически чистых сельхозпродуктов:

Эти фермеры остро нуждаются в таком роботе. Ведь эффективная борьба с сорняками обходится в таких хозяйствах очень дорого, так что робот быстро окупится.

Автомобильная рубрика

По результатам испытаний на устойчивость, проведённых Американской национальной администрацией безопасности движения на шоссейных дорогах (NHTSA), из 52-х испытанных моделей лишь 17 удостоились высшей оценки – пяти звёзд. Самую низкую оценку – две звезды – получил пикап «Toyota Tacoma» 2003-го года выпуска.

«Пятерки» комиссия поставила таким моделям, как «Audi TT», «Buick LeSabre», «Chrysler Concorde», «Dodge Intrepid», «Ford Mustang» и «Mercedes-Benz E320».

Большинство участников испытаний, в том числе «Acura RL», «Buick Century» и «Buick Park Avenue», «Chevrolet Cavalier», «Honda Accord» и « Honda Civic», а также «Volkswagen New Beetle», получили по четыре звезды.

Оценка «пять звёзд» означает, что вероятность опрокинуться набок или вообще встать на крышу составляет менее 10-ти процентов, «две звезды» – от 30-ти до 40-ка процентов.

Производители, как водится, недовольны результатами тестов, равно как и тем, как NHTSA оценивает устойчивость автомобилей. Дело в том, что при этих тестах проводятся не реальные испытания на местности, а виртуальные, т.е. рассчитанные компьютером на математической модели. По утверждению NHTSA, такой метод даёт достоверные результаты. Впрочем, уже в этом году администрация начнёт проводить и натурные испытания, которые позволят оценить, как ведёт себя на крутых виражах реальный автомобиль.

Ни для кого не секрет, что ДТП, связанные с опрокидыванием автомобиля, часто заканчиваются самым печальным образом. Только в США в прошлом году в таких авариях погибло более 10-ти тысяч человек.

Кроме рейтинга устойчивости, NHTSA обнародовала и результаты крэш-тестов на безопасность при лобовом и боковом столкновении.

Как выжить растениям в условиях засухи? | Политика и общество: анализ событий в Европе, России, мире | DW

И всё же дело продвигается с трудом. Оказалось, что повысить, скажем, сопротивляемость растения насекомым-вредителям гораздо проще, чем укрепить его засухоустойчивость – несмотря на то, что все предпосылки для этого налицо. Профессор Томас Альтман (Thomas Altmann), научный сотрудник Института молекулярной физиологии растений имени Макса Планка в Гольме близ Потсдама, поясняет:

«Совершенно очевидный аспект здесь состоит в том, что практически любое растение способно выдержать самую страшную засуху. Ведь любое растение даёт семена, которые высыхают и могут в таком состоянии пребывать долго, а если их увлажнить, они набухают и прорастают. Значит, в принципе все растения имеют набор генов, помогающих преодолевать засушливые периоды. Всё дело в регуляции: когда и где активируются гены, реализующие эти защитные свойства».

Главный модельный организм — резушка Таля

Для профессора Альтмана, как и для большинства других исследователей, специализирующихся на генетике растений, главным модельным организмом является резушка Таля (Arabidopsis thaliana). Среди учёных этот небольшой вездесущий сорняк знаменит ничуть не меньше, чем плодовая муха Drosophila melanogaster или червячок Caenorhabditis elegans. С резушкой Таля работает и Казуо Шинозаки (Kazuo Shinozaki) из японского научно-исследовательского центра RIKEN. Проведённые им и его коллегами опыты показали, что количество генов, реагирующих на засуху, у резушки Таля приближается к тысяче. Понятно, что целенаправленно повлиять на столь сложные взаимосвязи исследователи не могут. Поэтому они попытались выяснить, каков механизм управления всеми этими сотнями генов, и при этом обнаружили, что существует всего четыре регулятора, способных запустить генетическую программу защиты от засухи. Обычно в клетках растения имеется лишь по одной копии каждого из таких регуляторов. Доктор Казуо Шинозаки внедрил в наследственный материал резушки дополнительные копии этих регуляторов, чтобы усилить реакцию растения на засуху. Результаты, полученные японскими учёными, профессор Альтман считает очень важными:

«Мы видим: сверхактивность этих основных регуляторов – мы называем такое их состояние гиперэкспрессией – приводит к тому, что растение сохраняет свежесть и жизнеспособность, в то время как обычные, не модифицированные экземпляры полностью засыхают и гибнут. Экспериментальные данные и фотоснимки, представленные господином Шинозаки, впечатляют: его подопытные растения действительно гораздо лучше переносят засуху».

Высокую засухоустойчивость обеспечит специальный ген

На минувшей неделе коллеги профессора Альтмана – учёные Ботанического института при Боннском университете – сообщили о том, что ими выделен ген, обеспечивающий высокую засухоустойчивость одного из южноафриканских растений – Craterostigma plantagineum, – известного своей способностью месяцами обходиться без воды. Этот ген контролирует синтез особого фермента альдегид-дегидрогеназы, который защищает растение от действия ядов, накапливающихся в нём в период засухи. Боннские исследователи внедрили ген в наследственный материал резушки Таля, что повысило её выживаемость в условиях засухи до 16-ти дней – обычные растения гибнут уже через 12 дней. Правда, едва ли найдётся крестьянин, который обрадуется, узнав, что теперь сорняки могут стать более засухоустойчивыми, чем выращиваемые им полезные культуры. Но цель всех этих исследований, конечно, не в том, чтобы вывести более жизнеспособные сорта сорняков, – говорит профессор Альтман:

«Знания, полученные в ходе экспериментов с резушкой Таля, данные о механизме такой регуляции, конечно же, могут быть перенесены на другие растения. И есть основания полагать, что внедрение гена, позаимствованного у резушки Таля, скажем, в такой родственный ей вид того же семейства крестоцветных как рапс вызовет аналогичную реакцию».

Трансгенные культуры: урожайность – под вопросом

Однако прежде, чем фермеры засеют поля трансгенными засухоустойчивыми сортами зерновых культур, пройдёт ещё немало времени.

Во-первых, всё ещё неясно, как генетически модифицированные растения повлияют на здоровье населения. Во-вторых, искусственно внедрённые гены склонны постепенно распространяться, и если ген засухоустойчивости попадёт в сорняк, это может иметь далеко идущие негативные последствия. А в-третьих – и это, наверное, для фермеров самое важное, – пока непонятно, как обстоит дело с урожайностью таких трансгенных культур: ведь постоянная готовность противостоять засухе требует от растения лишних расходов энергии, а это снижает урожайность.

Реферат по физиологии растений «Засухоустойчивость растений»

ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ

Засуха — это длительный без дождливый период, сопровождаемый снижением относительной влажности воздуха, влажности почвы и повышением температуры, когда не обеспечиваются нормальные потребности растений в воде

Для формирования урожая существенно относительно равномерное распределение осадков, особенно в период активного роста растений. Активный рост растений осуществляется в мае и июне, но как раз в эти месяцы не хватает осадков.

Засухоустойчивость — способность растений переносить длительные засушливые периоды, значительный водный дефицит, обезвоживание клеток, тканей и органов. При этом ущерб урожая зависит от продолжительности засухи и ее напряженности. Различают засуху почвенную и атмосферную.

Почвенная засуха вызывается длительным отсутствием дождей в сочетании с высокой температурой воздуха, повышенным испарением с поверхности почвы и транспирацией, сильными ветрами. Все это приводит к иссушению корнеобитаемого слоя почвы, снижению запаса доступной для растений воды при пониженной влажности воздуха. Атмосферная засуха характеризуется высокой температурой и низкой относительной влажностью воздуха (10-20 %).

Атмосферная засуха, резко усиливая испарение воды с поверхности почвы и транспирацию, способствует нарушению согласованности скоростей поступления из почвы в надземные органы воды и потери ее растением, в результате растение завядает. Однако при хорошем развитии корневой системы атмосферная засуха не причиняет растениям большого вреда, если температура не превышает переносимый растениями предел. Продолжительная атмосферная засуха в отсутствие дождей приводит к почвенной засухе, которая более опасна для растений.

Обычно атмосферная и почвенная засухи сопровождают друг друга. В чистом виде атмосферная засуха нередко наступает весной, когда почва еще насыщена водой после схода снега. Почвенная засуха часто наблюдается в середине или конце лета, когда зимние запасы влаги уже исчерпаны, а летних осадков оказалось недостаточно. Почвенная засуха всегда снижает урожай, а если она начинается очень рано, то может привести к полной потере урожая.

Совместное действие недостатка влаги и высокой температуры на растение.

Засуха вызывает в первую очередь нарушения водного режима растений, которые затем отражаются и на остальных его физиологических функциях.

При атмосферной засухе в сочетании с высокой температурой и солнечной инсоляцией отмечаются значительная задержка роста стеблей и листьев растений, снижение урожая, а иногда растения в течение короткого времени погибают от «теплового удара». Внезапно наступающие суховеи вызывают высыхание и отмирание значительной части листьев травянистых растений, верхушек ветвей у кустарников и плодовых деревьев. Суховеями повреждаются цветочные органы и формирующиеся плоды и семена. Дело в том, что подвядающие листья активно отсасывают воду от цветочных бутонов, завязывающихся плодов или молодых растущих верхушек побегов.

Влияние на растения недостатка влаги.

Недостаток воды в тканях растений возникает в результате превышения ее расхода на транспирацию перед поступлением из почвы. Это часто наблюдается в жаркую солнечную погоду к середине дня. В результате снижается и водный потенциал листьев, что активизирует поступление воды из почвы в растение.

Если рост побегов и листьев в начале засухи замедляется, то корней даже ускоряется и снижается лишь при длительном недостатке воды в почве. Это связанно с тем, что корень пытается найти доступную для него воду. После длительного завядания растения оправляются медленно и функции их полностью не восстанавливаются. Затянувшееся завядание при засухе приводит к резкому снижению урожая сельскохозяйственных культур или даже к их гибели.

Орошение как радикальное средство борьбы с засухой.

Наиболее эффективным способом борьбы с засухой является орошение. Необходимо организовать полив растений таким образом, чтобы свести повреждаемость растений от засухи к минимуму и наиболее эффективно использовать поливную воду. Особенно важно обеспечить растения водой в критические периоды.

Наиболее эффективны частые поливы небольшими нормами.

Фитомониторинг и засухоустойчивость растений Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

ФИТОМОНИТОРИНГ И засухоустойчивость растении

О.А. ИЛЬНИЦКИИ, доктор биологических наук; А.И. ЛИЩУК, доктор

биологических наук; И.Н. ПАЛИИ, Т.И. БЫСТРОВА

В южных районах Украины и в Крыму одной из основных причин низкой продуктивности плодовых и технических культур является их недостаточная устойчивость к почвенной и атмосферной засухе. Поэтому в интродукционной и селекционной работе, а также для рационального размещения плодовых насаждений и технических культур применяются характеристики устойчивости сортов и форм к недостаточному водоснабжению и действию атмосферной засухи [1, 2, 7, 10, 12, 16].

Для более точной оценки этих показателей необходим поиск новых приемов и методов диагностики их засухоустойчивости. Нами разработаны методы, позволяющие определять засухоустойчивость не повреждая растений, а процесс сбора информации автоматизирован, что позволяет обрабатывать информацию на компьютере.

Объекты и методы исследований

Эксперименты проводили в Никитском ботаническом саду в 1987 — 1992 и 2002 гг. в условиях вегетационного опыта. Объектами исследований являлись саженцы различных сортов плодовых культур: черешни сортов Биггаро Гоше, Черная Мелитопольская, Ранняя Зорька; абрикоса сортов Еревани, Олимп, Степняк, Нарядный, Зард, Нью Кестль и Шалах; алычи сортов Калиновка, Кизилташская; персика сортов Сочный, Муза, Маяковский, Пушистый Ранний, сливы сорта Ренклод Альтана; яблони сорта Ренет Симиренко; в исследования были также включены технические культуры: монарда дудчатая, котовник кошачий и лофант анисовый. Растения 2-4 — летнего возраста выращивали в вегетационных сосудах с массой почвы 40-50 кг. Для создания почвенной засухи сосуды закрывали пленкой и прекращали полив. Длительность опыта от полной влагообеспеченности до влажности почвы 50-60 % НВ составляла 5-9 дней в зависимости от погодных условий.

В качестве информативных параметров применяли различные методы, характеризующие водный режим растений [8]. Параметры регистрировали при помощи фитометрической установки ИСР-2Т, а с 1991г. — «Экоплант» [1]. Эти же установки позволяют регистрировать основные метеопараметры и влажность почвы. Они разработаны и изготовлены КБ «Биоприбор» (г. Кишинев).

Результаты и обсуждение

Рассмотрим некоторые из разработанных нами методов определения относительной засухоустойчивости плодовых культур. Метод оценки относительной засухоустойчивости плодовых и эфирномасличных культур к почвенной засухе основан на измерении относительной скорости ксилемного потока в побеге растений.

Растения различных экологических групп, приспособившихся в процессе эволюции к определенным условиям обитания, по-разному реагируют на изменение метеорологических условий и на водный дефицит. При этом реакция растений на недостаточное водообеспечение затрагивает многие стороны массо-и энергообмена.

Некоторые растения при появлении водного дефицита мобилизуют свой массо-и энергообмен для поддержания водного режима на достаточно высоком уровне, хотя период активности, естественно, сменяется спадом. Другие в условиях недостаточного водоснабжения реагируют «консервативно» — снижают интенсивность массо-и

энергообмена, в том числе и водного, и тем самым предохраняют себя от чрезмерного обезвоживания. Последний тип реакции характерен для растений из засушливых мест и вообще для ксерофитов. У большинства же культурных растений-мезофитов различия в реакции на водный дефицит не всегда легко зафиксировать. Между тем, эти различия могут быть использованы для определения относительной засухоустойчивости различных видов и сортов плодовых и технических культур [13].

В своих экспериментах мы рассматривали не динамику суточного хода относительной скорости водного потока в побегах растения, а изменения средних его значений за светлое время суток (с 7 до 20 часов) при достаточной влагообеспеченности растения и при появлении водного дефицита. Степень снижения средней скорости параметра V за время опыта оценивали по формуле:

Vср.н-Vср.з

Кз=——————, (1)

Vср.н

где К3 — коэфициент относительной засухоустойчивости, характеризующий реакцию растения на воздействие почвенной засухи;

Vср.н. — средняя относительная скорость водного потока в побеге в начале опыта при влажности почвы 90-100% НВ;

Vср.3 — средняя относительная скорость водного потока в побеге в конце опыта при влажности почвы 40-50% НВ.

Предлагаемый термин «коэффициент засухоустойчивости» означает, что чем больше величина этого коэффициента, тем в большей степени данное растение сократило расход воды при появлении водного дефицита и, следовательно, тем более оно устойчиво к засухе. С точки зрения величины этого коэффициента мы и оценивали результаты наших данных.

В таблице 1 показаны динамика изменения водного режима черешни, алычи и абрикоса и коэффициенты их относительной засухоустойчивости.

По степени засухоустойчивости исследованные нами растения располагаются в следующем порядке: абрикос Олимп, алыча Калиновка, черешня Биггаро Гоше (1976 г.) для побегов нижних и верхних ярусов; абрикос Еревани, алыча Кизилташская, черешня Ранняя Зорька (опыт 1979 г.).

В таблице 2 приведена динамика изменения водного режима различных сортов абрикоса в опытах 1981 и 1984 гг. и коэффициенты их относительной засухоустойчивости.

Чтобы проверить достоверность результатов наших экспериментов, был проведён опыт с тремя растениями одного сорта (абрикос Зард). Для всех трёх особей величины коэффициента засухоустойчивости достаточно близки, что подтверждает репрезентативность принятой методики (табл. 3).

Таблица 1

Динамика изменения водного режима черешни, алычи и абрикоса и коэффициенты их относительной засухоустойчивости, где W почвы — наименьшая влагоёмкость почвы в _процентах НВ; НВн — в начале опыта и НВз — при засухе ._

Культура, сорт Ярус Ун, мв Уз, мв Кз W почвы, % НВ

НВн НВз

Опыты 1976 г.

Абрикос Олимп верх. 2,8 1,1 0,60

ниж. 2,3 0,3 0,87 90-100 50

Черешня Биггаро Гоше верх. 3,8 3,6 0,05

ниж. 2,8 2,6 0,08 90-100 50

Алыча Калинов-ка верх. 3,5 2,2 0,38 100

ниж. 3,0 1,3 0,56

Опыты 1976 г.

Абрикос Олимп верх. 3,5 1,2 0,65

ниж. 2,5 0,7 0,72 90-100 50

Черешня Биггаро Гоше верх. 3,3 3,1 0,06

ниж. 3,0 2,7 0,1 90-100 50

Алыча Калинов-ка верх. 4,4 2,8 0,36

ниж. 4,2 2,0 0,52 90-100 50

Опыты 1979 г.

Абрикос Шалах верх. 5,4 2,8 0,48

ниж. 4,3 1,5 0,65 90-100 50

Черешня Ранняя Зорька верх. 1,5 2,5 -0,65

ниж. 1,5 2,5 -0,66 90-100 50

Алыча Кизилта-шская верх.

ниж. 1,4 1,0 0,28 90-100 50

Обращает на себя внимание то, что, как правило, значение Кз для нижних ярусов больше, чем для верхних. Это объясняется тем, что именно в нижних ярусах при появлении водного дефицита ранее всего начинает снижаться транспирация и скорость поступления воды, что отмечалось во многих работах [3, 13]. Таким образом, проведена оценка относительной засухоустойчивости различных пород и сортов косточковых путем анализа степени снижения скорости транспорта в побегах различных ярусов при наступлении дефицита влаги в почве, и предложен критерий оценки этого показателя в виде коэффициента относительной засухоустойчивости.

Таблица 2

Динамика изменения водного режима абрикоса различных сортов и коэффициенты их относительной засухоустойчивости (1981, 1984 гг.)

Сорт Ярус Ун, мв Уз, мв Кз W почвы, % НВ

НВн НВз

Опыты 1981 г.

Степняк верх. 2,1 1,2 0,30

ниж. 4,0 1,8 0,55 90-100 50

Шалах верх. 5,0 2,6 0,48

ниж. 3,2 1,0 0,69 90-100 50

Нарядный верх. 2,6 1,4 0,46 100

ниж. 4,0 2,0 0,50

Опыты 1981 г.

Нью-Кестль верх. 2,4 1,4 0,42

ниж. 3,6 1,3 0,64 90-100 44

Зард верх. 4,2 2,7 0,36

ниж. 4,3 2,0 0,54 90-100 44

Нью-Кестль верх. 2,9 1,5 0,48

ниж. 3,0 0,50 0,83 90-100 44

Зард верх. 4,8 2,7 0,44

ниж. 3,9 2,3 0,41 90-100 50

Опыты 1984 г.

Еревани верх. 5,0 2,6 0,48

ниж. 3,2 1,0 0,69 90-100 50

Нарядный верх. 2,6 1,4 0,46

ниж. 4,0 2,0 0,50 90-100 50

Степняк верх. 2,1 1,2 0,30

ниж. 4,0 1,8 0,55 90-100 50

Таблица 3

Динамика изменения водного режима трех растений абрикоса сорта Зард и коэффициенты их относительной засухоустойчивости (1984 г.)

Номер растения Ярус Ун, мв Уз, мв Кз W почвы, % НВ

НВн НВз

1 верх. 4,6 3,4 0,26

ниж. 4,8 2,9 0,40 90-100 50

2 верх. 5,3 3,9 0,26

ниж. 3,7 2,2 0,41 90-100 50

3 верх. 5,4 3,8 0,27

ниж. 4,7 2,4 0,48 90-100 50

Данный метод можно использовать только для параллельной одновременной оценки сортов в вегетационных опытах, поскольку величины Кз, полученные в разных погодных условиях и в разные годы, могут значительно различаться и сравнивать их было бы неправомерно.

В таблице 4 показаны динамика изменения водного режима монарды дудчатой,

котовника кошачьего и лофанта анисового и коэффициенты их относительной засухоустойчивости.

Таблица 4

Динамика изменения водного режима монарды дудчатой, лофанта анисового и

котовника кошачьего и коэффициенты их относительной засухоустойчивости (2002 г.)

Культура, сорт Ун, мв Уз, мв Кз W почвы, % НВ

НВн НВз

Монарда дудчатая 2,4 0,5 0,79 90-100 50

Лофант анисовый 4,2 3,1 0,26 90-100 50

Котовник кошачий 2,4 1,6 0,33 90-100 50

Следует подчеркнуть, что предлагаемый метод оценки относительной засухоустойчивости является неповреждающим и прижизненным, поскольку в качестве объекта используют не отдельные части растения (листья, побеги), а вегетирующее растение в целом. Этот момент является важным, поскольку известно, что засухоустойчивость, определенная, например, по листьям и корням, может значительно различаться [3]. Следовательно, комплексная оценка засухоустойчивости целого вегетирующего растения должна быть наиболее достоверной.

Метод определения относительной засухоустойчивости плодовых культур в условиях почвенной засухи, основанный на измерении диаметра побегов.

Известно, что одной из наиболее чувствительных реакций на недостаток влаги является подавление ростовых процессов [17, 18]. Чем более устойчиво растение, тем при меньшей влажности почвы оно может осуществлять процессы роста и развития. Непрерывная регистрация процессов роста органов растений при помощи соответствующих датчиков [4] позволяет фиксировать изменения диаметра корней, побегов (стеблей), стволов и плодов при различной влагообеспеченности.

При определении относительной засухоустойчивости растений к почвенной засухе эксперимент проводят в условиях вегетационного опыта. Зависимость процессов прироста побегов плодовых культур от влажности почвы изучают на фоне её снижения от 90-100% НВ до 45-50% НВ. Периодически или непрерывно регистрируются влажность почвы и изменения диаметра побегов. Затем строятся экспериментальные линии регрессии зависимости суточных приростов побегов от влажности почвы. Точка пересечения линии прироста побегов с линией влажности почвы дает искомую величину, которая показывает, при какой влажности почвы прирост побега прекращается, т.е. А с1=0.

При этом все измерения регистрируются на самопишущем потенциометре, либо непосредственно вводятся в базу данных компьютера, а затем обрабатываются по специальной программе. На рис.1 А изображены зависимости величины суточного прироста побегов в толщину от влажности почвы для черешни, персика, яблони и сливы.

Предельная влажность почвы для персика равна 50 %НВ, для сливы — 57% НВ, для черешни — 61 % НВ, для яблони — 78 % НВ. Наиболее устойчивым к почвенной засухе следует считать персик, наименее устойчивой — яблоню, что соответствует литературным данным.

Для оценки чувствительности разработанного нами метода по определению относительной засухоустойчивости сортов одного вида был проведен вегетационный опыт, результаты которого представлены на рис.1Б. На нем показаны зависимости суточного прироста побегов различных сортов персика в толщину от влажности почвы.

Б

Рис. 1. Зависимость между ёп и Wn для различных видов (А) и сортов (Б) плодовых культур: 1 — черешня Черная Мелитопольская, 2 — персик Сочный, 3 — яблоня Ренет Симиренко, 4 — слива Ренклод Альтана; персики 5 — Муза, 6 — Маяковский, 7 -Пушистый Ранний.

Наиболее устойчивым к почвенной засухе является сорт Пушистый Ранний. У него прирост прекращается при влажности почвы 48 % НВ; у сорта Маяковский — при 52 % НВ, у сорта Муза — 55 % НВ. Разработанный нами способ оценки засухоустойчивости плодовых культур защищен авторским свидетельством [5].

Метод измерения относительной засухоустойчивости плодовых культур в условиях атмосферной засухи, основанный на измерении относительной скорости ксилемного потока в побеге и диаметра побега.

В оптимальных условиях при наличии достаточного количества почвенной влаги между параметрами водного режима (V отн. и d побегов) и факторами среды существуют тесные корреляционные зависимости противоположной направленности.

Так, взаимосвязь между V отн. в побегах, освещенностью, температурой и дефицитом насыщенности воздуха прямо пропорциональна, а между изменениями диаметра побегов и теми же факторами обратно пропорциональна [6].

При достаточном увлажнении почвы в условиях атмосферной засухи для устойчивых растений характерна почти строгая противофазность изменений относительной скорости ксилемного тока и диаметра побегов. У растений, чувствительных к атмосферной засухе, в тех же условиях наблюдается синхронное уменьшение этих параметров (рис.2). Сравнивая динамику изменений V отн. и ё побегов в одних и тех же условиях атмосферной засухи, можно выделить наиболее устойчивые формы растений. Синхронность изменений этих показателей может наблюдаться в течение нескольких часов после полива, но в этом случае происходит увеличение как относительной скорости ксилемного тока в побегах, так и их диаметров.

На рис. 2 приведены суточные изменения относительной скорости ксилемного тока в побегах и их диаметров у черешни Черная Мелитопольская и персика Сочный в жаркий день при оптимальном увлажнении почвы (около 63-77 % НВ). У более устойчивого персика с 6 ч утра на фоне нарастающего дефицита насыщения воздуха наблюдалась четкая противофазность изменений V отн. и ё побегов, что свидетельствует об оптимальном водном режиме этой культуры в условиях атмосферной засухи.п=77%НВ) водный режим черешни нарушается, происходит уменьшение как скорости ксилемного тока, так и тургесцентности побегов.

Величина вероятности нарушений водного режима растений в условиях атмосферной засухи является надежной и достаточно объективной характеристикой их устойчивости. Сигналом нарушения процессов транспорта воды может служить синхронное уменьшение относительной скорости ксилемного тока и величины диаметров побегов и стволов. Расчет вероятности проводится следующим образом: по данным параметров водного режима растений и факторов среды подсчитывают число часов с одновременным уменьшением Vотн. и d побегов (или стволов) при тех или иных градациях дефицита насыщения воздуха di и общее число часов с заданным значением di. Вероятность (Р) рассчитывается по формуле:

№ х 100%

Р = —————, (2)

N1

где ш — число часов с одновременным уменьшением V отн. и ё побегов (стволов)

при di значениях дефицита насыщения воздуха;

N1 — общее число часов с дефицитом насыщения воздуха di.

Рис. 2. Суточные изменения относительной скорости водного тока (1) и диаметра побега (2) при разных показателях воздушного дефицита (3) для персика (А) и черешни (Б). Опыт 1987 г.

Вероятность нарушения водного режима растений при различных градациях дефицита насыщения воздуха представляют графически, откладывая по оси абсцисс значения d, а по оси ординат вероятность (Р). На рисунке 3 приведена зависимость вероятности нарушения состояния водного режима черешни Черная Мелитопольская, сливы Ренклод Альтана и персика Сочный при варьировании дефицита насыщения воздуха от 0 до 36 ГПа и при влажности почвы Wn=61-100%НВ. При дефицитах насыщения ниже 14 ГПа вероятность ухудшения состояния водного режима у исследованных косточковых культур ниже 10%.в, ГПа): 1 — черешня, 2 — слива, 3 — персик.

Коэффициент варьирования отдельных параметров транспорта воды у плодовых культур является характеристикой их устойчивости. Чем выше коэффициент и размах варьирования, тем ниже их устойчивость к атмосферной засухе.

Метод измерения относительной засухоустойчивости плодовых культур в условиях атмосферной засухи, основанный на определении коэффициента варьирования водного потенциала листьев.

Стабильность водного режима растений в условиях атмосферной или почвенной засухи является важной характеристикой их засухоустойчивости [1].

О стабильности, степени регулирования процессов водного режима можно судить по величине вариабельности водного дефицита, водного потенциала [14, 15], температурного градиента, величине поляризационного электросопротивления и т.д.

Показателями вариабельности обычно служат размах (лимит) и коэффициент варьирования изучаемых величин. Лимиты варьирования определяются по разности между максимальными и минимальными значениями вариант в экспериментальных

выборках. Коэффициент варьирования рассчитывают по формуле [11]:

Sx

С = ——-. 100%, (3)

x

где С — коэффициент варьирования изучаемой величины в %;

x — средняя арифметическая из суммы всех вариант выборки;

Sx — среднее квадратическое отклонение для выборки.

Значение Sx определяется по формуле:

X max — X min

Sx =———————, (4)

K

где Х max- максимальное значение изучаемого параметра;

Хтт- минимальное значение изучаемого параметра;

К — величина, которая устанавливается в зависимости от объема выборки с помощью таблицы.=30-36 гПа). Наименьший коэффициент варьирования (18,6 %) отмечен у персика, наибольший (40,7%) — у яблони. По степени регулирования водного режима в условиях атмосферной засухи приведенные культуры ранжируются в следующем убывающем порядке: персик — черешня — слива — яблоня.

Таблица 5

Варьирование величин водного потенциала (\|/) листьев плодовых культур _(июль-август 1988 г., Южный берег Крыма)_

Культура, сорт Число опред. \|/ min 10.е5 Па у mах 10.е5 Па 10.е5 Па Коэффициент варьирования

Персик Сочный 27 -12,6 -27,5 -19,0 18,6

Черешня Черная Мелитопольская 29 -12,0 -28,3 -19,6 20,8

Слива Ренклод Альтана 41 -14,6 -34,9 -21,6 23,5

Яблоня Ренет Симиренко 40 -5,4 -29,8 -15,0 40,7

Изучая вариабельность параметров водного режима растений на поливе и в богарных условиях, можно оценить степень их устойчивости, как к атмосферной, так и к почвенной засухе.

Описанные выше различные методы определения засухоустойчивости плодовых культур, являясь различными по своей природе, характеризуют лишь какую-либо одну сторону засухоустойчивости. Поскольку устойчивость растений характеризуется целым рядом анатомо-морфологических и физиолого-биологических особенностей, при изучении засухоустойчивости следует учитывать комплекс признаков. Диагностика предполагает распознавание существенных свойств растений и широко применяется в различных областях биологии. На первый взгляд, все выглядит достаточно просто. Казалось бы, достаточно выявить и изучить основные признаки, определяющие свойство, чтобы получить о нем относительно полную информацию. Однако сложность диагностики заключается не столько в выявлении информативных признаков, сколько в выделении и расшифровке по каждому из них части информации об искомом свойстве, а затем синтезе этих частей в единое целое. Разработанные нами методы диагностики засухоустойчивости растений, как нам кажется, являются определенным шагом в этом направлении.

Выводы

Растения различных видов и сортов, приспособившиеся в процессе эволюции к определенным условиям обитания, по-разному реагируют на изменение факторов внешней среды, что позволяет использовать это свойство в диагностических целях, в частности для изучения засухоустойчивости плодовых культур.

Изменения относительной скорости водного потока в побегах растений и их диаметра (тургесцентности) являются весьма чувствительными параметрами водного режима растений в условиях почвенной, воздушной и комплексной засухи. На основе использования этих закономерностей разработаны новые методы определения относительной засухоустойчивости плодовых культур к почвенной и атмосферной засухе.

Предложенные методы позволяют получать информацию о водном режиме растения, не повреждая его, причем эта информация является непрерывной и удобной для регистрации и ввода в компьютер для математической обработки.

Коэффициент варьирования отдельных параметров транспорта воды у плодовых культур является характеристикой их устойчивости. Чем выше коэффициент и размах варьирования, тем ниже их устойчивость к атмосферной засухе.

Разработанные методы диагностики засухоустойчивости плодовых культур могут быть применены в целях селекции, интродукции, районирования плодовых культур.

Список литературы

1. Генкель П.А. Основные пути изучения физиологии засухоустойчивости растений // Физиология водного режима растений. — М., 1971. — С.5-26.

2. Гриненко В.В. Значение авторегуляции водного режима растений в адаптации его к природным факторам // Физиология засухоусточивости растений. — М.: Наука, 1971. — С.115-131.

3. Еремеев Н.Г. Лабораторно-полевой метод оценки засухоустойчивости плодовых и других растений и результаты его применения// Труды Никит. ботан. сада.

— 1964. — Т.37. — С. 472-489.

4. Ильницкий О.А. Прибор для определения прироста органов растений // Бюл. Никит. ботан. сада. — 1979. — Вып.3. — С.73-76.

5. Ильницкий О.А., Фалькова Т.В. Способ оценки засухоустойчивости плодовых культур: А.с. СССР 1739914 // БИ. — 1992. — № 22.

6. Ильницкий О.А. Зависимость интенсивности фотосинтеза от динамики водного обмена хризантемы и алычи при различной скорости и степени их обезвоживания // Физиология и биохимия культурных растений. — 1982. — Т.14, №2.-С.192-198.

7. Клейман Э.И. Водный режим растений при резких изменениях факторов среды: Автореф. Дис… канд. биол. наук.- Кишинев, 1988. — 17 с.

8. Карманов В.Г., Рябова Е.П. Прибор для регистрации относительных изменений скорости водного тока по растению //Сб. тр. по агрон. физике. — 1968.- Вып. 16. — С.81-87.

9. Кушниренко М.Д. Физиология водообмена и засухоустойчивости плодовых растений. — Кишинев: Штиинца, 1975. — С.124-125.

10. Кушниренко М.Д. Водный обмен растений при различной влагообеспеченности в связи с засухоустойчивостью и продуктивностью // Водный обмен с.-х. растений.- Кишинев: Штиинца, 1989. — С.3-12.

11. Лакин Г.Ф. Биометрия. — М.: Высшая школа, 1980. — 234 с.

12. Литвинов Л.С. Методы оценки засухоустойчивости // Семеноводство. — 1983.

— № 6. — С.10-16.

13. Лищук А.И., Радченко С.С., Ильницкий О.А. Динамика водного обмена плодовых культур в условиях водного дефицита // Бюл. Никит. ботан. сада. — 1980. -№1. — С.73-75.

14. Надеждина Н.Е., Кайбияйнен Л.К. Способ определения засухоустойчивости древесных растений — А.с.СССР №1496704 // БИ.- 1989.- № 28.

15. Надеждина Н.Е. Способ оценки засухоустойчивости сортов яблони — А.с. СССР №1655356 // БИ.- 1991.- № 22.

16. Новые эфирномасличные культуры. Справочное издание / Машанов В.И., Андреева Н.Ф., Машанова Н.С., Логвиненко И.Е. — Симферополь: Таврия, 1988. — 160 с.

17. Радченко С.С., Баранецкий В.А. Динамика тургесцентности как показатель относительной засухоустойчивости // Тез. Докл. 1 Всесоюз. семинара по молекулярной и прикладной биофизике с.-х. Растений. — Краснодар, 1974.- С.19-20.

18. Шевелуха В.С., Ковалев В.М. Ауксанографический способ в оценке устойчивости растений к стрессовым воздействиям // Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям. — Л.: ВИР, 1988. — С.211-215.

Phytomonitoring and drought resistance of plants

Ilnitskiy O.A., Lischuk A.I., Paliy I.V., Bystrova T.I.

Changes in relative rate of water flaw in plant’s shoots and variations of their diameter (turgescence) under the conditions of soil, air and complex drought were studied. New methods for determination of relative drought resistance of fruit crops and technical plants were developed.

Засухоустойчивость

способность растений переносить длительные засушливые периоды, водный дефицит, обезвоживание и перегрев клеток, тканей и органов с наименьшим снижением продуктивности. 3асухоустойчивость  обусловлена генетически определенной приспособленностью растений к условиям местообитания, а также адаптацией к недостатку воды. На территории РФ есть регионы неустойчивого увлажнения с годовым количеством осадков 250-500 мм и засушливые — с количеством осадков менее 250 мм в год при испаряемости более 1000 мм. В районах с недостаточным количеством осадков растения выживают благодаря морфологическим или физиологическим особенностям. Для засухоустойчивых растений характерна ксероморфная структура листа: уменьшение размеров листовой пластинки и клеток мезофилла, большее число устьиц и жилок на единицу поверхности листа, более развитая палисадная ткань листа и др. В кроне дерева верхние листья отличаются более выраженной ксероморфной структурой, чем нижние. По отношению к воде выделяют 3 экологические группы растений. Ксерофиты — растения засушливых местообитаний, способные в процессе онтогенеза хорошо приспосабливаться к атмосферной и почвенной засухе. Гигрофиты — растения водных и увлажненных местообитаний, неустойчивые к засухе. Незначительное снижение воды в почве вызывает быстрое их увядание. Мезофиты — растения, обитающие в среде со средним уровнем обеспеченности водой. На разных этапах развития растения реагируют на засуху по-разному. Зерновые культуры снижают урожай зерна в период роста колоса, древесные растения страдают на этапе всходов. Древесные растения обычно более засухоустойчивы, чем др. жизненные формы, благодаря проникающей глубоко в почву корневой системе, запасам воды в стволе, корнях и ветвях. Разная засухоустойчивость древесных пород обусловлена неодинаковой глубиной корневой системы или различной эффективностью использования воды. Среди плодовых пород наиболее засухоустойчивы маслина, инжир, миндаль, фисташка, пекан, орех грецкий, персик, шелковица, а из лесных — лох серебристый, саксаул, туя, ясень обыкновенный, гледичия, робиния лжеакация, дуб че-решчатый, сосны обыкновенная и эльдарская, платан, клен татарский, тополь туркестанский, аморфа, бирючина, скумпия. Незасухоустойчивы — ольха серая и черная, черемуха, пихта, ель, многие ивы и тополя.

При искусственном лесоразведении в засушливых районах деревья не достигают той высоты, которую они обычно имеют в естественном ареале. В степных условиях деревья в среднем достигают высоты 9-13 м, а в полупустыне — 3-5 м. Хороший рост древесных пород в таких условиях наблюдается только в начале их развития, но уже к середине второго десятилетия растения испытывают недостаток влаги и их рост замедляется. Деревья проходят фазы развития очень быстро, плодоношение и старение наступает гораздо раньше, чем в лесной зоне. При искусственном лесоразведении в засушливых районах необходимо учитывать интенсивность роста деревьев и их требовательность к условиям жизнеобеспечения, выбирая виды с меньшей интенсивностью транспирации и большей ее продуктивностью.

Недостаток воды может наблюдаться и зимой, если водоснабжение нарушается вследствие продолжительных морозов. Такое явление называется зимней засухой. Особенно опасна она в конце зимы, когда почва еще не оттаяла, а солнце нагревает ветви, ускоряя транспирацию, что приводит к обезвоживанию тканей. Повысить засухоустойчивость растений можно с помощью предпосевного закаливания, заключающегося в поочередном увлажнении и подсушивании семян, внесении удобрений, особенно фосфатных и калийных.

Устойчивость к засухе — обзор

2 Роль органических осмолитов в росте и метаболизме растений в условиях стресса, вызванного засухой

Способность к ОА рассматривалась как косвенный критерий отбора в различных программах селекции для создания растений с повышенной устойчивостью к засухе (Ludlow and Muchow, 1990 ; Morgan, 1983; Zhang et al ., 1999). В целом, большинство бактерий, водорослей и растений способны накапливать различные органические растворенные вещества в ответ на осмотический стресс (Ashraf et al ., 2008; Кушман, 2001; Куфнер и Кох, 2008; Лю и др. ., 2006; Робертс, 2005). Органические растворенные вещества, вместе именуемые совместимыми осмолитами или совместимыми растворенными веществами, не только способствуют осморегуляции, но также могут защищать структуру различных биомолекул и мембран (Murata et al. ., 1992; Yancey et al. ., 1982). , или действуют как поглотители свободных радикалов, которые защищают ДНК от повреждающего действия АФК (Akashi et al ., 2001; Ashraf, 2009).

Глицин-бетаин (GB), соединение четвертичного аммония, считается сильным осмозащитным средством против множественных стрессов, включая засуху (Ashraf and Foolad, 2007; Chen and Murata, 2002). Специфические особенности GB, которые делают его эффективным метаболитом для смягчения стрессовых эффектов, включают его небольшой размер, растворимость в воде и отсутствие взаимодействия с другими метаболитами внутри клетки. Нетоксичен даже в высоких концентрациях. Кроме того, при экзогенном применении в виде опрыскивания для листвы GB может легко проникать через эпидермис листа и перемещаться к другим органам, эффективно способствуя повышению устойчивости к стрессу (Makela et al ., 1998). Внутри растения структура ГБ очень устойчива (Bray et al ., 2000). Основной путь биосинтеза GB проходит в хлоропласте и включает двухступенчатое окисление холина до бетаина через бетаиновый альдегид (Hanson and Scott, 1980; Rhodes and Hanson, 1993). Эти две стадии биосинтеза катализируются холинмонооксигеназой и бетаинальдегиддегидрогеназой. Основная функция GB в растительной клетке при осмотическом стрессе — стабилизация структуры ферментов, сложных белков и мембран (Chen and Murata, 2002).GB также способствует делению клеток (Akula et al ., 2000) и защищает митохондриальный комплекс II в условиях солевого стресса (Hamilton and Heckathorn, 2001). Кроме того, внутриклеточное накопление ГБ позволяет удерживать воду в клетке и предотвращает ее обезвоживание (Henke et al ., 1997; Rees et al ., 1993; http://en.wikipedia.org/wiki/Betaine#Glycine_betaine , 2009).

Аминокислота пролин — еще один важный осмопротектор, способствующий ОА. Пролин накапливается в цитоплазме многих видов растений в ответ на стресс окружающей среды и играет значительную роль в смягчении неблагоприятных последствий стресса в разной степени у разных видов растений (Ashraf and Foolad, 2007; Hsu et al ., 2003; Кави Кишор и др. , 2005; Rhodes и др. ., 1999). Глутаминовая кислота является предшественником в биосинтезе пролина, а пирролин-5-карбоксилатсинтаза (P5CS) и пирролин-5-карбоксилатредуктаза (P5CR) являются двумя ключевыми ферментами пути биосинтеза пролина (Hu et al ., 1992). Пролин может стабилизировать структуру мембран и белков, улавливать АФК и регулировать рН цитоплазмы в стрессовых условиях (Bohnert and Shen, 1999; Guo et al ., 2010; Kaul et al ., 2008; Родригес и Редман, 2005 г .; Ванренсбург и др. ., 1993). Кроме того, он может функционировать как совместимый с белком гидротроп (Kaul et al ., 2008). Хотя роль пролина как совместимого растворенного вещества в толерантности к стрессу была тщательно изучена (McCue and Hanson, 1990; Yancey et al. ., 1982), мало усилий было посвящено выяснению его активной роли в других важных физиологических и физиологических процессах. биохимические процессы, опосредующие стрессоустойчивость (Khedr et al ., 2003; Okuma и др. ., 2000).

Растения также реагируют на стресс от засухи накоплением растворимых сахаров. Сахара — это легкодоступные органические осмолиты в клетке. Наиболее распространенными растворимыми сахарами в клетке являются сахароза, глюкоза и фруктоза (Taiz and Zeiger, 2006). Помимо этих простых сахаров, многие растения, в частности воскресающие, накапливают трегалозу при воздействии стресса засухи. Как правило, воскресающие растения могут накапливать трегалозу в количестве до 1% от их сухой массы в нестрессовых условиях.Однако накопление этого сахара в большинстве сельскохозяйственных культур обычно очень низкое (Garg et al ., 2002). Если трегалоза в большом количестве накапливается в растении, она может действовать как осмолит и жизненно важный осмопротектор (Джилианов и др. ., 2005; Эльбейн и др. ., 2003). Это богатый источник углерода и энергии (Elbein et al ., 2003). Он может стабилизировать мембраны и белки в клетках, подвергшихся осмотическому стрессу (Джилианов и др. ., 2005; Эльбейн и др. ., 2003; Хан и др. ., 2005). Была продемонстрирована его активная роль в подавлении запрограммированной гибели клеток (Yamada et al ., 2006) и улавливании ROS (Elbein et al ., 2003). Трегалоза также может функционировать как сигнальная молекула или регулятор роста и развития растений (Avonce et al. ., 2004; Elbein et al. ., 2003). Как и сахароза, трегалоза также находится в цитозоле. Известны три независимых пути биосинтеза трегалозы.Наиболее распространенный из них включает ключевой фермент трегалозо-фосфатсинтазу, который связывает уридиндифосфат-глюкозу (UDP-глюкозу) с глюкозо-6-фосфатом, продуцирующим трегалозу-6-P (предшественник трегалозы) и UDP (Elbein et al . , 2003). Затем трегалоза-6-P превращается в трегалозу под действием трегалозо-6-фосфатфосфатазы (TPP).

Во время осмотического стресса растворимые сахара производятся путем гидролиза обычных углеводов (Levitt, 1980). Примером такого типа превращения является воскресающее растение Craterostigma plantagineum в ответ на осмотический стресс: в то время как хорошо поливные растения накапливают большое количество 2-октулозы (восьмиуглеродного углевода), у растений, находящихся под осмотическим стрессом, происходит преобразование октулозы. к сахарозе (Норвуд и др. ., 2000). Этот тип углеводной трансформации является обычным явлением для многих засухоустойчивых растений (Peterbauer and Richter, 2001; Prado et al. ., 2000).

Полиолы (многоатомные спирты) — еще одна важная группа широко распространенных совместимых растворенных веществ (Джилианов и др. ., 2005; Сингх и др. ., 2005; Таравати и др. ., 2007; Зоу и др. . , 2002). Полиолы обычно бывают двух типов: ациклические и циклические. Как ациклические, включая глицерин, сорбит и маннит, так и циклические формы, включая myo, -инозит, пинит и ононит, широко присутствуют в растениях.В отличие от myo -инозитол, сорбит и маннит являются прямыми продуктами фотосинтеза, особенно в полностью распространившихся листьях, как и сахароза (Noiraud et al ., 2001). Полиолы обычно накапливаются в цитозоле и противодействуют неблагоприятному воздействию разнообразных стрессов на метаболизм (Ashraf and Harris, 2004). Они играют активную роль в осморегуляции. Например, в трансгенных растениях табака только маннит вносит вклад в 30-40% изменений осмотического потенциала тканей (Karakas et al ., 1997). В дополнение к их роли в осморегуляции, как ациклические, так и циклические полиолы эффективно улавливают АФК, генерируемые различными стрессами, включая осмотический стресс (Smirnoff and Cumbes, 1989). Из-за предполагаемой роли полиолов как антиоксидантов их роль в регуляции метаболизма растений, по-видимому, более значима, чем их осмотическая роль (Griffin et al ., 2004). В дрожжах ( Saccharomyces cerevisiae ) полиолы могут выполнять двойную функцию в защите от стресса, действуя как на ОА, так и на регуляцию окислительно-восстановительной системы в клетках (Shen et al ., 1999). Полиолы также могут переносить энергию и углеродные соединения между источником и приемными органами. Улучшенный транспорт полиолов наблюдается как в ксилеме, так и во флоэме в ответ на солевой или засухой стресс (Noiraud et al ., 2001).

Таким образом, совместимые растворенные вещества играют важную роль в устойчивости растений к стрессу. Их основная роль — поддержание осморегуляции (тургора) растений, находящихся в стрессовых условиях. На самом деле поддержание тургора имеет решающее значение для поддержания нормальной клеточной активности в условиях ограниченного количества воды.Кроме того, совместимые осмолиты играют важную роль в других клеточных функциях, таких как стабилизация белков, защита мембранной структуры и улавливание АФК. Однако накопление различных типов совместимых растворенных веществ варьируется от вида к виду. Как правило, растения, которые накапливают высокие концентрации органических осмолитов, обычно проявляют большую устойчивость к стрессу засухи по сравнению с растениями, которые накапливают меньшее или незначительное количество таких растворенных веществ. Предпринимаются усилия по созданию устойчивых к засухе растений путем получения трансгенных растений с усиленным синтезом / накоплением совместимых органических осмолитов.Однако в нескольких сообщениях указывалось, что высокое накопление осмолитов в генно-инженерных растениях вызывает нарушение роста, особенно в отсутствие стресса. Скорее всего, это может происходить из-за стратегии адаптации растений, направленной на сохранение воды без стресса для подготовки к будущим потенциальным стрессовым условиям (Abebe et al ., 2003; Maggio et al ., 2002). Таким образом, дальнейшая тонкая настройка синтеза осмолитов в трансгенных растениях имеет важное значение в таких исследованиях генетической трансформации.Однако другой стратегией улучшения устойчивости растений к засухе является экзогенное применение таких осмолитов, как обсуждается ниже.

Стратегии засухоустойчивости растений: механистический подход

Повышение засухоустойчивости растений: последние достижения

Несомненно, засуха является одним из основных абиотических стрессов в мире. Потери урожая из-за стресса засухи значительны. Хотя для решения проблемы засухи использовались различные подходы, селекция растений, будь то традиционная селекция или генная инженерия, кажется эффективным и экономичным средством адаптации сельскохозяйственных культур, позволяющих им успешно расти в подверженных засухе средах.В течение последнего столетия, хотя селекционеры добились значительного прогресса посредством традиционной селекции в разработке устойчивых к засухе линий / сортов некоторых выбранных культур, на самом деле этот подход является очень трудоемким, трудоемким и дорогостоящим. В качестве альтернативы селекция с помощью маркеров (МАБ) является более эффективным подходом, который определяет полезность тысяч геномных областей культуры в стрессовых условиях, что в действительности ранее было невозможно. Локусы количественных признаков (QTL) засухоустойчивости были идентифицированы по множеству признаков у разных культур.С разработкой всеобъемлющих карт молекулярных связей, процедуры отбора с помощью маркеров привели к пирамидированию желательных признаков для достижения улучшений в устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе. Однако точность и точность идентификации QTL проблематичны. Кроме того, значительное взаимодействие генетика × среда, большое количество генов, кодирующих урожай, и использование неправильных картирующих популяций, повредили программам, участвующим в картировании QTL для высокого роста и урожайности в условиях ограниченного количества воды.В таких обстоятельствах трансгенный подход к проблеме кажется более убедительным и практичным, и он активно применяется для улучшения качественных и количественных характеристик, включая устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам у различных культур. Быстрый прогресс в знаниях в области геномики и протеомики, безусловно, будет полезен для точной настройки подходов к молекулярной селекции и трансформации, чтобы добиться значительного прогресса в улучшении сельскохозяйственных культур в будущем. В настоящем обзоре обсуждаются знания о регуляции генов и передаче сигналов для создания устойчивых к засухе сортов / линий сельскохозяйственных культур.Кроме того, обсуждались преимущества и недостатки, а также будущие перспективы каждого подхода к разведению.

Биотехнология для развития засухоустойчивых культур

Водное хозяйство и сельское хозяйство

Неблагоприятные факторы окружающей среды, из которых нехватка воды представляет собой наиболее серьезное препятствие для сельского хозяйства, составляют около 70 процентов потенциальных потерь урожая во всем мире. ¹ . Сельское хозяйство является крупнейшим потребителем воды в мире, а в более засушливых регионах мира, включая многие развивающиеся страны, использование воды для сельского хозяйства может превышать 90 процентов от потребления.

Прогнозируется также, что глобальное потепление затронет наиболее сильно развивающиеся страны, где сельскохозяйственные системы наиболее уязвимы к климатическим условиям и где небольшое повышение температуры очень пагубно сказывается на производительности. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций ² , к 2025 году примерно 480 миллионов человек в Африке могут жить в районах с очень нехваткой воды, и что по мере ухудшения климатических условий 600 000 квадратных километров, которые в настоящее время классифицируются как умеренно ограниченные, станут крайне ограниченными. ограничено.

Вода становится все более дефицитным и ценным товаром. Таким образом, очень важно повысить эффективность использования воды в сельском хозяйстве. Это потребует комплексного подхода к управлению водными ресурсами для поощрения эффективного и справедливого использования ресурса и обеспечения устойчивости. Выведение сортов сельскохозяйственных культур с повышенной устойчивостью к засухе, как с помощью традиционных методов селекции, так и с помощью генной инженерии, также является важной стратегией удовлетворения глобального спроса на продукты питания с меньшим количеством воды.

Выращивание засухоустойчивых культур

Традиционная селекция требует выявления генетической изменчивости засухи среди разновидностей сельскохозяйственных культур или среди сексуально совместимых видов и введения этой устойчивости в линии с подходящими агрономическими характеристиками. Хотя традиционная селекция на засухоустойчивость имела и продолжает иметь некоторый успех, это медленный процесс, который ограничен доступностью подходящих генов для разведения. Некоторыми примерами традиционных программ селекции на засухоустойчивость являются выращивание сортов риса, пшеницы и индийской горчицы, устойчивых к засолению и щелочным почвам, Центральным научно-исследовательским институтом засоления почв в Карнале, Индия ³ ; создание гибридов кукурузы с повышенной засухоустойчивостью ⁴ ; усилия по внедрению солеустойчивости к пшенице из диких родственных видов ⁵ ; и включение засухоустойчивости в качестве селекционного признака при создании новой зародышевой плазмы кукурузы и пшеницы Международным центром улучшения кукурузы и пшеницы ⁶ .

С другой стороны, создание толерантных культур с помощью генной инженерии требует идентификации ключевых генетических детерминант, лежащих в основе стрессоустойчивости растений, и внедрения этих генов в сельскохозяйственные культуры. Засуха вызывает широкий спектр физиологических реакций у растений и влияет на активность большого числа генов: эксперименты по экспрессии генов выявили несколько сотен генов, которые либо индуцируются, либо подавляются во время засухи ⁷ .

Механизмы засухоустойчивости растений

Растения реагируют на изменяющуюся среду сложным, интегрированным образом, что позволяет им реагировать на определенный набор условий и ограничений, присутствующих в данный момент.Следовательно, генетический контроль устойчивости к абиотическим стрессам не только очень сложен, но также находится под сильным влиянием других факторов окружающей среды и стадии развития растения.

Физиологические реакции растений на дефицит воды включают увядание листьев, уменьшение площади листьев, опадание листьев и стимуляцию роста корней путем направления питательных веществ в подземные части растений. Растения более восприимчивы к засухе во время цветения и развития семян (репродуктивные стадии), поскольку ресурсы растений отклоняются для поддержки роста корней.Кроме того, абсцизовая кислота (АБК), гормон стресса растений, вызывает закрытие устьиц листьев (микроскопических пор, участвующих в газообмене), тем самым уменьшая потерю воды через транспирацию и снижая скорость фотосинтеза. Эти меры в краткосрочной перспективе улучшают эффективность водопользования завода.

Растительные клетки необходимы для поддержания водного баланса. Чтобы поддерживать этот водный баланс, растения поглощают воду, когда водный потенциал отрицательный. Клетки могут уменьшать свой водный потенциал за счет накопления растворенных веществ, таких как сахара, аминокислоты, органические кислоты и ионы, особенно калий (K +).Поскольку клеточные ферменты сильно подавляются присутствием ионов, они должны быть удалены из цитозоля (основного жидкого вещества клетки) и сохранены в специальных органеллах клетки-хранилища, вакуолях. Совместимые растворенные вещества, которые накапливаются в цитозоле и не мешают ферментативным реакциям, включают сахарные спирты (маннит и сорбитол), аминокислоту пролин и глицин бетаин. Синтез этих соединений растением повышает устойчивость к засухе ⁸ .

Реакция растения на засуху сопровождается активацией генов, участвующих в восприятии стресса засухи и в передаче сигнала стресса.Одна группа — это гены, кодирующие белки, защищающие клетки от эффектов высыхания ⁹ . Эти гены включают гены, которые регулируют: накопление совместимых растворенных веществ; пассивный транспорт через мембраны; энергозатратные водные транспортные системы; и защита и стабилизация клеточных структур от высыхания и повреждения активными формами кислорода ⁹ .

Вторая группа генов, активируемых засухой, состоит из регуляторных белков, которые дополнительно регулируют передачу стрессового сигнала и модулируют экспрессию генов.Известно, что у растений существуют по крайней мере четыре независимых чувствительных к стрессу генетических регуляторных пути, образующих очень сложную и избыточную генную сеть ^{8, 9} . Два пути зависят от гормона ABA, а два не зависят от ABA. Эти пути также участвуют в восприятии и реакции на дополнительные стрессовые факторы, включая холод, высокую температуру и соленость.

Генно-инженерные растения, устойчивые к засухе

Хотя арабидопсис и не является культурным растением, он сыграл жизненно важную роль в выяснении основных процессов, лежащих в основе стрессоустойчивости, и полученные знания в определенной степени были перенесены на важные пищевые растения ¹⁰ .Многие из генов, которые, как известно, участвуют в устойчивости к стрессу, были первоначально выделены у Arabidopsis. Введение нескольких стресс-индуцируемых генов в растения с помощью генной инженерии привело к повышению устойчивости трансгенных растений к стрессам засухи, холода и засоления ^{8, 9} . Некоторые примеры рассмотрены в следующем разделе.

Генетические манипуляции со стрессовой реакцией на абсцизовую кислоту (АБК)

Уровень

АБК в растении значительно повышается в ответ на водный стресс, что приводит к закрытию устьиц, что снижает уровень потери воды через транспирацию из листьев и активирует гены реакции на стресс.Реакция обратима: как только вода снова становится доступной, уровень АБК падает, и устьица вновь открывается. Поэтому повышение чувствительности растений к АБК было очень важной задачей для улучшения устойчивости к засухе.

ERA1 , ген, идентифицированный в Arabidopsis , кодирует ß-субъединицу фарнезил-трансферазы и участвует в передаче сигналов ABA. Растения, лишенные активности ERA1 , обладают повышенной устойчивостью к засухе, однако также серьезно страдают от снижения урожайности.Чтобы добиться условного обратимого подавления АБК, группа канадских исследователей использовала индуцируемый засухой промотор для управления антисмысловой экспрессией ERA1 как в Arabidopsis , так и в растениях канолы ¹¹ . Трансгенные растения значительно лучше работали в условиях водного стресса, давая стабильно более высокие урожаи по сравнению с традиционными сортами. Важно отметить, что не было никакой разницы в производительности между трансгенами и контролями в условиях достаточного количества воды, демонстрируя, что технология не имеет сопротивления урожаю ¹¹ .Испытания в нескольких местах подтвердили, что повышение урожайности благодаря усиленной защите от засухи составляет 15-25 процентов по сравнению с нетрансгенными контролями (http://www.performanceplants.com).

Канадская биотехнологическая компания

Performance Plants Inc разрабатывает технологию для коммерциализации под названием Yield Protection Technology ™ (YPT ™). YPT ™ также разрабатывается для кукурузы, сои, хлопка, декоративных растений и дерновой травы, которая будет доступна фермерам в начале 2011 года.

АБК-независимая регуляция гена к стрессу засухи

Факторы транскрипции DREB1 и DREB2 важны для ABA-независимых путей засухоустойчивости, которые индуцируют экспрессию генов стрессовой реакции. Сверхэкспрессия нативной формы DREB1 и конститутивно активной формы DREB2 увеличивает устойчивость трансгенных растений Arabidopsis к засухе, высокой засоленности и холоду.Хотя эти гены были первоначально идентифицированы у растений Arabidopsis , их присутствие и роль в устойчивости к стрессу были зарегистрированы для многих других важных культур, таких как рис, томат, ячмень, канола, кукуруза, соя, рожь, пшеница и кукуруза, что указывает на это консервативный универсальный механизм защиты растений от стресса ⁹ . Эта функциональная консервация делает гены DREB важными мишенями для улучшения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе с помощью генной инженерии.

Заключение

Несмотря на значительный прогресс в выяснении генетических механизмов, лежащих в основе засухоустойчивости, остаются серьезные проблемы. В полевых условиях сельскохозяйственные культуры подвергаются различным уровням множественных стрессов, поэтому одна область исследований, заслуживающая гораздо большего внимания, — это реакция растений на комбинацию стрессов. Там, реакция растения на множественные стрессы не может быть выведена из реакции на индивидуальный стресс ¹² .Таким образом, важно испытать новые сорта на устойчивость к множественным стрессам и провести обширные полевые исследования в большом диапазоне условий, которые оценивают устойчивость по мере увеличения абсолютной урожайности.

Другой серьезной проблемой является возрастающая сложность и стоимость получения разрешений на полевые испытания ГМ-растений. Поскольку существует ряд мер для обеспечения безопасного и ответственного планирования полевых испытаний, чрезмерные меры предосторожности не должны стать препятствием для использования всех доступных нам инструментов для более устойчивого сельского хозяйства.

Ссылки:

1. Бойер Дж. С. (1982). Наука 218: 443-448.
2. ФАО (2007). http://www.fao.org/newsroom/en/news/2007/1000654/index.html
3. CSSRI (2001). http://plantstress.com/files/salt_karnal.htm
4. Bruce W. B. et al. (2002). J. Exp. Бот. 53: 13-25.
5. Colmer T.D et al .. (2006). J. Exp. Бот. 57: 1059-1078.
6. Рибо Дж-М.И Польша Д. (2004). http://www.cimmyt.org/english/docs/proceedings/molecApproaches/pdfs/MolecularApproaches.p
7. Sahi C. et al. (2006). Physiologia Plantarum 127: 1-9.
8. Umezawa et al. (2006). Curr. Соч. Биотех. 17: 113-122.
9. Шинозаки К. и Ямагути-Шинозаки К. (2007). J. Exp. Бот. 58: 221-227.
10. Zhang J. Z. et al. (2004). Plant Physiol. 135: 615-621.
11. Wang et al.(2005). Завод J 43: 413-424.
12. Миттлер Р. (2006). Trends Plant Sci. 11: 15-19.

* Март 2008 г.

Next Pocket K: Коммуникационная биотехнология сельскохозяйственных культур

Засухоустойчивость улучшает засухоустойчивость Nicotiana tabacum на физиологическом, биохимическом и молекулярном уровнях | BMC Plant Biology

Переплетенные признаки высыхания и засухоустойчивости трав

Значимость

Устойчивость к высыханию, вероятно, развивалась независимо несколько раз у трав, обеспечивая идеальную сравнительную систему для выявления генетических элементов, контролирующих этот признак.Используя сравнительную геномику, мы идентифицировали геномные изменения и изменения экспрессии, отличающие устойчивую к высыханию трава Eragrostis nindensis от ее родственника Eragrostis tef , чувствительного к высыханию. Мы расширили этот анализ, включив в него несколько злаков, чтобы выявить широко сохраняемые и расходящиеся модели во время водного стресса. Мы обнаружили, что различие между засухой и усыханием злаков тонкое, поскольку гены, играющие важную роль в развитии семян, широко экспрессируются в условиях водного стресса.Таким образом, мы предполагаем, что семена и листья имеют общие наборы корегулируемых генов, вероятно, древнего происхождения, и лишь несколько генов экспрессируются однозначно для устойчивости к высыханию.

Abstract

Травы являются одними из самых устойчивых растений, и некоторые из них могут пережить длительное высыхание в полузасушливых регионах с сезонными осадками. Однако генетические элементы, отличающие травы, чувствительные и устойчивые к чрезмерному высыханию, в значительной степени неизвестны. Здесь мы использовали сравнительные геномные подходы с устойчивой к высыханию травой Eragrostis nindensis и родственным чувствительным к высыханию злаком Eragrostis tef для выявления изменений, лежащих в основе устойчивости к высыханию.Эти анализы были распространены на травы и зерновые культуры C4, чтобы выявить более широкую эволюционную консервацию и дивергенцию. В различных наборах геномных данных мы идентифицировали изменения в архитектуре хроматина, метилировании, дупликации генов и динамике экспрессии, связанные с высыханием у E. nindensis . Ранее предполагалось, что перестройка транскрипции путей высыхания семян обеспечивает толерантность к вегетативному высыханию. Здесь мы демонстрируем, что большинство генов, связанных с обезвоживанием семян, обнаруживают сходные паттерны экспрессии в листьях как устойчивых к высыханию, так и чувствительных к высыханию видов.Однако мы идентифицировали небольшой набор связанных с семенами ортологов с экспрессией, специфичной для видов, устойчивых к высыханию. Это подтверждает широкую роль генов, связанных с семенами, многие из которых участвуют в типичных реакциях на засуху, и лишь небольшая часть критических генов специфически индуцируется у устойчивых к высыханию растений.

Примерно 470 миллионов лет назад харофитные зеленые водоросли вышли из своей водной среды обитания и заселили сушу (1). Воздействие суровой сухой атмосферы было основным биофизическим препятствием, с которым столкнулись первые наземные растения, что привело к сильному селективному давлению, благоприятствующему адаптивным механизмам для предотвращения обезвоживания (2).Эти ранние защитные механизмы, вероятно, послужили основой для развития устойчивых к высыханию семян и пыльцы, что было критически важно для успеха семенных растений (3). Хотя большинство растений имеют семена и пыльцу, устойчивые к высыханию, сравнительно немногие из них могут выдерживать высыхание вегетативных тканей. Устойчивость к вегетативному усыханию у цветковых растений встречается редко, но широко распространена среди других линий растений (4). Появление толерантности к вегетативному усыханию у филогенетически далеких линий предполагает множественное независимое эволюционное происхождение.В экологически и экономически важном семействе растений Poaceae устойчивость к вегетативному усыханию обнаруживается в пределах девяти отдельных родов пяти разных триб ( SI Приложение , таблица S1), что позволяет предположить, что оно эволюционировало независимо несколько раз (5, 6). Текущая консенсусная гипотеза состоит в том, что толерантность к вегетативному усыханию у покрытосеменных растений возникла конвергентно за счет изменения общих путей высыхания семян (7, 8).

Транскриптомные исследования устойчивых к высыханию покрытосеменных растений неизменно показывают активацию генов, связанных с семенами, во время водного стресса (7⇓⇓⇓⇓⇓ – 13).Однако многие из этих генов также сильно экспрессируются во время реакции на стрессовый дефицит воды у видов, чувствительных к высыханию. Фитогормон абсцизовая кислота (АБК) имеет решающее значение для созревания семян и устойчивости к засухе, и предполагается, что она играет важную роль в регулировании устойчивости к высыханию (5, 14, 15) и реагирующих на засуху путей, соответственно (16). Таким образом, многие из нижестоящих генов, которые активируются посредством ABA-зависимых механизмов, широко экспрессируются во время развития семян и в тканях листьев при умеренном и сильном дефиците воды (обезвоживании).Накопление осмопротекторов и активация механизмов гашения активных форм кислорода также являются общими ответами в этих условиях. Таким образом, важно отличать реакции устойчивости к высыханию от более широких реакций на стресс, вызванный дефицитом воды.

Несмотря на то, что были опубликованы многочисленные транскриптомные исследования устойчивых к высыханию растений, лишь в нескольких предыдущих исследованиях сравнивались реакции чувствительных к высыханию и устойчивых к высыханию растений с близкими филогенетическими отношениями.Предыдущая работа по сравнению видов эвдикотов Lindernia brevidens (толерантность к высыханию) и Lindernia subracemosa (чувствительная к высыханию) дала некоторое представление о генах, которые участвуют в устойчивости к высыханию, а не засухе (13). Однако семейство Linderniaceae не имеет большого экономического значения и лишь отдаленно связано с какими-либо культурными растениями, что затрудняет перевод этих открытий. Зерновые из семейства злаковых (Poaceae) являются наиболее важными культурами для глобальной продовольственной безопасности, и наше текущее исследование с устойчивыми к высыханию видами Poaceae, вероятно, будет более легко переводимым.Подсемейство злаков Chloridoideae включает большинство устойчивых к высыханию видов с множественными независимыми филогенетическими корнями. Chloridoideae также содержит пальмовое просо злаковых ( Eleusine coracana ) и теф ( Eragrostis tef ), которые широко потребляются в полузасушливых регионах Восточной Африки и Азии. Насколько нам известно, Eragrostis — единственный род с устойчивыми к высыханию и злаковыми культурами. Таким образом, Eragrostis и, в более широком смысле, подсемейство Chloridoideae являются идеальными системами для идентификации генов, участвующих в устойчивости к высыханию, которые являются потенциальными мишенями для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе.

Хромосомные сборки генома трав Chloridoideae E. tef (чувствительный к высыханию) и Oropetium thomaeum (устойчивый к высыханию) были недавно завершены (17, 18). Здесь мы секвенировали устойчивую к высыханию траву Eragrostis nindensis и выполнили детальную сравнительную геномику в пределах Chloridoideae и по семейству трав для поиска закономерностей конвергенции в эволюции устойчивости к высыханию. Мы провели параллельные эксперименты по дегидратации с E.nindensis и E. tef с использованием согласованных физиологических точек отбора проб для выявления признаков, которые различают реакцию на водный стресс и высыхание. Мы использовали данные по экспрессии семян E. tef и других видов трав, чтобы проверить, возникла ли устойчивость к высыханию трав в результате совместного выбора путей обезвоживания семян. Вместе наши результаты идентифицируют аналогичные признаки водного стресса (засухи) и реакции высыхания с меньшим количеством геномных особенностей и изменений экспрессии, уникальных для устойчивых к высыханию трав.Мы предлагаем модель, в которой семена и листья имеют общие наборы корегулируемых генов в условиях дефицита воды, при этом лишь несколько генов однозначно участвуют в реакции высыхания.

Результаты

Эволюция генома хлоридоидных трав.

Сравнительные системы с филогенетически подобными видами, чувствительными к высыханию и устойчивыми к высыханию, являются мощным инструментом для выяснения генетической основы устойчивости к высыханию. Только в одном предыдущем исследовании было проведено полногеномное сравнение чувствительных к высыханию и толерантных покрытосеменных (13), и в настоящее время таких систем для трав не существует.Мы собрали черновой вариант генома устойчивой к высыханию травы E. nindensis и сравнили его с недавно секвенированным геномом E. tef (18), чтобы отличить генетические элементы, связанные с устойчивостью к высыханию, от тех, которые более широко связаны с реакцией на засуху. Подобно большинству (∼90%) хлоридоидных трав, E. nindensis и E. tef являются полиплоидными и имеют одинаковый каротип (2n = 4 × = 40) ( SI Приложение , Рис. S1) (19, 20). Мы использовали метод секвенирования одной молекулы в реальном времени, чтобы преодолеть проблемы сборки, связанные с тетраплоидностью и гетерозиготностью у E.Нинденсис . В общей сложности мы сгенерировали 64 ГБ данных PacBio, представляющих 63-кратное покрытие генома E. nindensis размером 1,0 ГБ . Мы использовали Canu с параметрами, оптимизированными для сборки всех гаплотипов, что дало начальную сборку примерно в два раза больше размера гаплоидного генома ( SI, приложение , таблица S2). Затем мы применили псевдогаплоидный алгоритм, чтобы отфильтровать избыточные гаплотипы из сборки (подробности см. В Материалы и методы ) (21). Этот подход к фильтрации произвел общую гаплоидную сборку размером 986 Мб в 4368 контигах с N50 в 520 кб, в дальнейшем называемую E.nindensis V2.1. Мы использовали конвейер MAKER-P (22) для аннотирования генома E. nindensis , и после фильтрации аннотации на основе ортологии, доменов pfam и экспрессии мы идентифицировали набор из 107 683 гена с высокой степенью достоверности ( материалов и методов. ).

Три генома хлороидных трав E. nindensis , E. tef и O. thomeaum имеют в значительной степени консервативное содержание генов и порядок (синтению) (рис. 1). Высокая доля E.tef и E. nindensis соответствовали ожидаемому соотношению 2: 2 блоков синтенных генов с учетом их тетраплоидности, но значительная часть генома E. nindensis имеет три или четыре блока для каждой гомеологической области E. tef ( SI Приложение , рис. S2 B ). E. nindensis и диплоид O. thomaeum имеют синтению 2: 1 с одинаково дублированными блоками из трех или более в некоторых регионах ( SI Приложение , рис.С2 А ). Этот синтенический паттерн, вероятно, является результатом сборки множества гаплотипов для каждой гомеологической области в E. nindensis и одного гаплотипа для E. tef и O. thomaeum . Это подтверждается распределением синонимичных замен (Ks) между ортологичными генами в E. nindensis ( SI Приложение , рис. S3). Мы наблюдали сильный пик Ks, соответствующий последовательностям гаплотипов и парам гомеологичных генов. Высокая степень коллинеарности и общее содержание генов между тремя секвенированными травами Chloridoideae позволили нам идентифицировать общие и уникальные геномные признаки устойчивости к высыханию.

Рис. 1.

Коллинеарность злаков Chloridoideae. Показана микросинтения коллинеарных участков между аллотетраплоидом E. nindensis и E. tef и диплоидом O. thomaeum . Гены в прямой и обратной ориентации показаны золотым и синим цветом соответственно, а пары синтенных генов соединены серыми линиями.

Сравнительная реакция на дефицит воды между

E. nindensis и E. tef .

Мы провели параллельные временные курсы обезвоживания для E.nindensis и E. tef в сопоставимых условиях, чтобы различать реакции, связанные с засухой и высыханием (рис. 2 и набор данных S1). Растения группы обработки дефицита воды сушили контролируемым образом до тех пор, пока они не достигли легкого стресса дефицита воды [75,8 и 60,4% относительного содержания воды (RWC), соответственно]. Затем мы отобрали пробы во время умеренного и сильного стресса дегидратации для обоих видов, при этом после длительного высыхания было отобрано только E. nindensis , а после выздоровления — E.tef не выживает ниже ~ 30% RWC (23). Мы собрали ткань для данных РНК-секвенирования листьев (RNA-Seq) параллельно с физиологическими данными для восьми временных точек для E. nindensis и трех для E. tef . У E. nindensis они соответствовали полностью гидратированному контролю (хорошо политый [WW], RWC 90,36%) умеренному обезвоживанию (D1, RWC 67,57%), сильному обезвоживанию (D2, 15,18% RWC) и обезвоженному (D3, 14,28%). % RWC) и при регидратации в течение 0 ч (14,56% RWC), 12 ч (80.82% RWC), 24 ч (93,16% RWC) и 48 ч (86,05% RWC). В E. tef они включали контроль WW (93,89% RWC), D1 (32,68% RWC) и D2 (16,32% RWC). Мы собрали проб E. tef ниже минимальной RWC, от которой они могут восстановиться, чтобы зафиксировать их реакцию на летальный стресс дефицита воды; тем не менее, мы не собирали образцы с растений E. tef , поддерживаемых на этом низком уровне RWC в течение более длительного периода времени, поскольку листья уже должны были стареть. Ночные всплески RWC во время высыхания связаны с ночным гидравлическим перераспределением (24).

Рис. 2.

Сравнительные параллельные эксперименты по дегидратации трав Eragrostis. ( A ) Параллельная динамика засухи / высыхания в E. tef ( слева ) и E. nindensis ( справа ). E. nindensis также показаны через 24 и 48 ч после регидратации. E. tef засушливые растения показаны рядом с хорошо политыми растениями на каждом изображении. Каждый горшок содержит индивидуальные E. tef и E. nindensis , и эти растения были собраны отдельно от времени, указанного в B .( B ) Относительные изменения содержания воды в экспериментах по сушке и регидратации для E. tef (синий) и E. nindensis (оранжевый) с 95% доверительными интервалами, нанесенными на график для каждой временной точки. Точки отбора проб для RNA-seq обозначены WW (хорошо политый), D1, D2 и D3 (первая, вторая и третья точки отбора проб засухи, соответственно) и 0, 12, 24 и 48 ч после регидратации).

Мы отслеживали утечку электролита во время высыхания как показатель повреждения мембраны и гибели клеток.Как в E. nindensis , так и в E. tef , процент общей утечки значительно увеличился во время наиболее сильной дегидратации и высыхания ( E. nindensis D2, D3, R0 и E. tef D2) по сравнению с хорошо поливным контролем ( SI Приложение , рис. S4). Во время эксперимента по регидратации процент утечки электролита снизился обратно до хорошо обводненного уровня через 12 часов после регидратации у E. nindensis ( SI Приложение , рис.S5), предполагая, что, хотя некоторая реорганизация или повреждение мембраны может произойти во время высыхания, повреждение восстанавливается при регидратации. Аналогичные данные были сообщены ранее для обоих видов: процент утечки возвращался в предварительно высушенное состояние для E. nindens , но с дальнейшим увеличением уровней при регидратации для растений E. teff , которые были обезвожены ниже 30-40% RWC. (23).

В разные периоды времени 26 275 генов (24,4% генов с высокой степенью достоверности) в E.nindensis по-разному экспрессировались между хорошо политыми листьями и, по меньшей мере, одной временной точкой засухи или регидратации. Из них у 7504 увеличилось количество транскриптов (здесь и далее активировано), а у 19 506 уменьшилось количество транскриптов (в дальнейшем снижено). Гены с пониженной регуляцией в условиях засухи у E. nindensis были значительно обогащены множеством терминов онтологии генов (GO), связанных с фотосинтезом, в то время как гены с повышенной регуляцией были значительно обогащены терминами, связанными с реакцией на абиотический стресс (набор данных S2).Мы сравнили обогащение GO между E. nindensis и E. tef , сгруппировав термины GO по категориям связанных терминов (Приложение SI, Дополнительные материалы и методы ). В E. nindensis два термина, связанных с семенами, были обогащены, в то время как один термин, связанный с семенами, был обогащен E. tef ( SI, приложение , рис. S6 и S7, и набор данных S3). Интересно, что шесть терминов светового отклика были обогащены E. nindensis , но никакие термины светового отклика не были обогащены E.теф. Гены, активируемые во время регидратации, были значительно обогащены условиями GO, связанными с фотосинтезом и, в частности, с фотозащитой и регуляцией фотоморфогенеза (Dataset S4).

Из-за полиплоидной природы E. nindensis и E. tef , мы сравнили паттерны экспрессии между двумя видами, используя наборы «синтенных ортогрупп» (консервативные коллинеарные гены), а не отдельные пары генов. Синтенные ортогруппы были определены с помощью алгоритма MCscan в блоках 2: 4, соответствующих аллотетраплоидии в E.tef и аллотетраплоидия плюс гетерозиготность в E. nindensis . Из консервативных групп синтенических генов между E. tef и E. nindensis , 5600 и 6199 синтенных групп были активированы в течение первых двух временных точек водного стресса (D1, D2) у E. nindensis и . E. tef соответственно (рис.3 A ). Большинство этих синтенных ортогрупп (3 254) были активированы у обоих видов (рис. 3 B ), что свидетельствует о широком сохранении реакции на засуху.Для дальнейшего изучения степени сохранения между E. nindensis и E. tef мы сравнили максимальную экспрессию в каждой синтенической группе для хорошо поливных, D1 и D2 временных точек. Экспрессия значимо коррелировала между двумя видами (F-тест, P <0,001; Pearson's r ² = 0,54), что позволяет предположить, что аналогичные пути задействованы в ответ на дефицит воды (рис. 3 C ). Подмножество ортогрупп однозначно экспрессировалось у каждого вида, и в сопоставимые моменты времени 2346 синтенных ортогрупп были однозначно активированы в E.nindensis (Fig. 3 B ), и 2 945 синтенных ортогрупп были однозначно активированы в E. tef . Гены-кандидаты, которые придают толерантность к вегетативному высыханию, скорее всего, происходят из набора генов, уникального для E. nindensis .

Рис. 3.

Общие и уникальные изменения экспрессии, связанные с высыханием. ( A ) Тепловая карта общих и уникальных синтенных ортогрупп, активированных в моменты засухи / высыхания E. tef и E.Нинденсис . D1 и D2 представляют собой первую и вторую временные точки засухи для E. nindensis и E. tef соответственно. ( B ) Диаграмма Венна общих и однозначно регулируемых синтенных ортогрупп. ( C ) Корреляция экспрессии, измеренная как log ₂ транскриптов на миллион (TPM), между синтеническими ортогруппами E. tef и E. nindensis , где синтенные ортогруппы с аналогичной повышающей регуляцией показаны коричневым цветом. , и однозначно регулируемые ортогруппы в E.nindensis показаны синим цветом.

Индукция «связанных с семенами путей» во время обезвоживания и обезвоживания.

Давняя гипотеза о том, что толерантность к вегетативному усыханию возникла в результате перестройки путей развития семян, была подтверждена несколькими недавними анализами в масштабе генома (5, 7, 8). Мы проверили эту гипотезу на E. nindensis , проверив, индуцируются ли гены с типично специфичной для семян экспрессией во время вегетативного высыхания. Затем мы использовали сравнительный подход, чтобы проверить, экспрессируются ли эти гены, связанные с семенами, более широко во время обезвоживания у E.теф и другие крупы. Мы создали список «связанных с семенами» генов в травах путем сравнения наборов данных по экспрессии семян и листьев для четырех злаков ( E. tef , Oryza sativa , Zea mays и Sorghum bicolor ) и выявления генов с высокая экспрессия в семенах по сравнению с хорошо политыми листьями ( Материалы и методы ). Чтобы облегчить межвидовые сравнения, мы идентифицировали попарные синтенические ортологи между каждым из шести видов трав с наборами данных сравнительной экспрессии ( E.nindensis , E. tef , O. thomaeum , O. sativa , Z. mays и S. bicolor ), называемые здесь группами синтелог ( Материалы и методы ). Всего мы идентифицировали 640 групп синтелогов с консервативной индукцией в семенах по сравнению с хорошо политыми листьями. Мы сгруппировали группы синтелогов в 386 ортогрупп; из них мы обнаружили, что 189 связанных с семенами ортогрупп были активированы в листьях E. nindensis по крайней мере на одной из стадий дегидратации ( SI Приложение , рис.S6 B ). Используя тест на перестановку, мы определили, что это число было значительно больше, чем ожидалось случайно (тест перестановки: P <0,001), предполагая, что экспрессия генов, связанных с семенами, имеет решающее значение для реакции на засуху у листьев E. nindensis (25 ).

Затем мы сравнили данные экспрессии E. nindensis с повторно проанализированными данными по экспрессии хорошо поливаемых и подверженных засухе листьев тех же четырех видов трав, чтобы определить, является ли наблюдаемое обогащение генов, связанных с семенами, уникальным для устойчивых к высыханию растений или если он представляет собой более широко распространенную реакцию на стресс, вызванную дефицитом воды.Мы подсчитали количество связанных с семенами синтетических групп, активируемых в листьях во время дефицита воды у каждого из шести видов. У E. tef наибольшее количество генов, связанных с семенами, было активировано в обезвоженных листьях, за ним следовали O. thomaeum , E. nindensis и O. sativa (рис. 4 A ). S. bicolor и Z. mays имели меньше генов, связанных с семенами, с повышенной активностью в листьях, испытывающих водный стресс, по сравнению с другими четырьмя видами. Количество и серьезность временных точек стресса, вызванного дефицитом воды, различались у разных видов, что ограничивало наши возможности делать выводы о различиях в экспрессии генов, связанных с семенами, во время дефицита воды между видами.Однако эти данные позволяют предположить, что количество таких генов, активируемых во время водного стресса у устойчивых к высыханию трав E. nindensis и O. thomaeum , аналогично количеству, наблюдаемому в условиях сильного водного дефицита у растений. травы, чувствительные к высыханию.

Рис. 4.

Индукция семенных путей при засухе в травах. ( A ) Гистограмма экспрессии генов, связанных с семенами, в обработанных засухой листовых тканях устойчивых к высыханию трав O.thomaeum и E. nindensis (фиолетовый) и злаки, чувствительные к высыханию E. tef , S. bicolor , Z. mays и O. sativa (золото). ( B ) Корреляция RWC листа с индуцированными связанными с семенами путями для устойчивых к засухе (пурпурный) и чувствительных (золото) видов.

Для четырех видов, по которым были доступны данные RWC для выбранных временных точек ( E. nindensis , E. tef , O.thomaeum и S. bicolor ), мы сравнили количество связанных с семенами групп синтелогов, активируемых во время каждой временной точки засухи, со средним RWC для всех повторов с этой временной точки (рис. 4 B ). Мы обнаружили, что RWC был значимым предиктором количества связанных с семенами синтелогов, активируемых в листьях во время засухи (F-тест, P <0,001), и RWC также объяснил значительную величину вариации количества семян. -зависимые синтелоги активируются в листьях во время засухи (Pearson's, r ² = 0.72). И наоборот, независимо от того, был ли образец получен из устойчивых к высыханию или чувствительных к высыханию растений, не было достоверно предсказано количество связанных с семенами групп синтелогов, активируемых в листьях во время засухи (F-тест, P = 0,53). Эта модель не объяснила большую часть наблюдаемых вариаций ( r ² = 0,041). Разброс остатков модели также был намного больше для этой модели допуска к высыханию по сравнению с моделью RWC, что указывает на лучшее соответствие модели RWC (F-тест, P = 0.001) ( SI Приложение , рис. S8). Хотя этот анализ несколько ограничен недостаточностью измерений RWC и различными временными точками, в течение которых растения высыхали, мы можем сделать предварительный вывод о том, что большее количество генов, связанных с семенами, активируется при более низких RWC в травах независимо от того, обладает ли вид усыханием. толерантность.

Уникальные компоненты устойчивости к высыханию трав.

Сравнение экспрессии, вызванной засухой в травах, позволяет предположить, что семенные пути индуцируются не только у возрождающихся растений, но вместо этого представляют собой консервативный ответ на дефицит воды.Используя эту сравнительную схему, мы искали уникальные образцы, которые отличают толерантные и чувствительные виды. E. nindensis и O. thomaeum представляют собой отдельные племена и, вероятно, независимые источники устойчивости к высыханию внутри подсемейства Chloridoideae. Эти виды также используют различные стратегии фотозащиты при обезвоживании, где E. nindensis в значительной степени разлагается, а O. thomaeum сохраняет хлорофилл. Мы выделили консервативные паттерны экспрессии, указывающие на конвергентную эволюцию, от видоспецифичных паттернов, отражающих различия в стратегиях высыхания.Мы использовали кластеризацию k -средств для группировки генов E. nindensis и O. thomaeum на основании кривой, соответствующей их паттерну экспрессии во время отдельных временных рядов высушивания и регидратации (рис. 5 A ). Для каждого полученного кластера мы подсчитали количество генов O. thomaeum , по крайней мере, с одним кластеризованным синтеническим ортологом E. nindenis . Гены в кластерах, которые в среднем содержали гены, более активно активируемые во время высыхания, с большей вероятностью объединялись с их E.nindensis синтенические ортологи. Кроме того, коэффициент x ² для пар синтенных ортологов у обоих видов достоверно коррелировал (Пирсона, r = 0,53; F-тест, P <0,001), что предполагает общее сохранение паттернов экспрессии между двумя видами. видов (рис.5 В ). В частности, паттерны экспрессии генов, связанных с семенами, коррелировали значительно сильнее (Pearson’s r = 0,69), тест t для коэффициента корреляции выборки ( P <0.001), чем все пары ( r = 0,53 по Пирсону) или все синтенические пары, активированные у обоих видов ( r = 0,55). Этот образец сохранения предполагает, что гены, связанные с семенами, могут иметь сходные роли и, возможно, сходную регуляцию во время обезвоживания и регидратации как у E. nindensis , так и у O. thomaeum .

Рис. 5.

Сравнительная динамика сети по устойчивым к высыханию травам. ( A ) К-средние кластеры для E.nindensis и O. thomaeum , временные курсы обезвоживания и регидратации. ( B ) Кластерный коэффициент паттернов экспрессии синтенных ортогрупп.

Мы идентифицировали набор из 239 синтенных ортогрупп, которые были активированы при стрессе дефицита воды как у E. nindensis , так и у O. thomaeum , но не у любого из четырех исследованных видов, чувствительных к высыханию. Основываясь на тесте на перестановку, перекрытие 239 генов значительно больше, чем ожидалось случайным образом (тест на перестановку: P <0.001) (25). Среди консервативных генов, связанных с высыханием, в E. nindensis и O. thomaeum представлен широкий спектр факторов транскрипции ( SI, приложение , таблица S3), включая ортологи Arabidopsis DOG1 и HY5, которые регулируют покой семян и фотоморфогенез соответственно. ABA-зависимый фактор транскрипции ABI3 важен для контроля развития семян и считается критически важным для устойчивости к вегетативному усыханию (7). Однако набор консервативных активированных факторов транскрипции не включает ортологи Arabidopsis ABI3 или каких-либо других факторов транскрипции LAFL, ответственных за регуляцию покоя семян.Из 23 ортогрупп, содержащих гены-мишени регулона ABI3 в Arabidopsis (26), 16 и 20 содержали по крайней мере один ген, который активируется во время высыхания у E. nindensis и O. thomaeum , соответственно. Однако у 16 ​​из 23 ортогрупп была повышена регуляция во время стресса водного дефицита у E. tef , а у 12 ортогрупп, регулируемых ABI3, была повышена регуляция во время водного стресса у O. sativa . Мы определили только одну ABI3-регулируемую ортогруппу (OG0002708), содержащую запасные белки семян купина, активность которых однозначно повышается только у устойчивых к высыханию трав.Кроме того, из 239 генов с вегетативной экспрессией, уникальной для двух видов, устойчивых к высыханию, только 14 были из нашего списка генов, связанных с семенами, что не превышает ожидаемого случайным образом (тест на перестановку: P = 0,37). Взятые вместе, это предполагает, что большая часть регулона ABI3 и генов, связанных с семенами, в более широком смысле, индуцируется в листьях как во время обезвоживания, так и во время высыхания, подразумевая, что экспрессия только генов, связанных с семенами, недостаточна для придания устойчивости к высыханию.

Считается, что избыточные белки позднего эмбриогенеза (LEA) играют важную роль в защите клеточных компонентов от повреждения во время высыхания (27). Вероятно, что определенные белки LEA (или группы LEA) играют важную и консервативную роль в устойчивости к вегетативному высыханию, но некоторые также более широко участвуют в путях реакции на засуху среди чувствительных к высыханию растений (28). Мы идентифицировали гены LEA, принадлежащие к восьми подсемействам LEA в геномах E. nindensis , E.tef и O. thomaeum с использованием доменов PFAM ( SI, приложение , рис. S9). Мы не нашли доказательств расширения каких-либо подсемейств LEA в E. nindensis по сравнению с E. tef ( SI Приложение , рис. S9 и S10). Подсемейства LEA5 и LEA6 (также называемые LEA18) были однозначно индуцированы во время обезвоживания и регидратации у E. nindensis и O. thomaeum , но ни одно из подсемейств не показало повышенной экспрессии во время водного стресса у E.теф. Остальные подсемейства LEA показали сходные закономерности у всех трех видов ( SI Приложение , рис. S10).

Все ранее секвенированные геномы воскрешающих растений имеют массивные тандемные массивы ранних индуцированных светом белков (ELIP) для защиты от фотоокислительного повреждения во время длительного высыхания (29). В соответствии с этим паттерном геном E. nindensis имеет 27 ELIP, и большинство из них находятся в больших тандемных массивах ( SI Приложение , рис. S11 A ).ELIP в E. nindensis несинтетичны 22 ортологам из O. thomaeum и 5 ортологам в E. tef , что позволяет предположить, что они перемещались и дублировались после расхождения этих трав. Несинтетическая природа тандемных массивов ELIP у E. nindensis и O. thomaeum подтверждает независимое происхождение устойчивости к высыханию, поскольку отдельные ELIP дублировались у каждого вида. ELIP индуцируются при водном стрессе, причем 23 из 27 активируются во время высыхания или регидратации у E.nindensis ( SI Приложение , рис. S11 B ). ELIPs наиболее высоко экспрессируются через 12 и 24 часа после регидратации, в отличие от большинства других видов, у которых ELIP наиболее высоки в иссушенных тканях (29). В отличие от O. thomaeum , E. nindensis в значительной степени разрушает свой хлорофилл и разрушает тиллакоиды (стратегия, названная пойкилохлорофиллией) во время обезвоживания, при этом тиллакоиды и хлорофилл восстанавливаются при регидратации. В свою очередь, это приводит к сравнительно медленному восстановлению после регидратации.

Разложение хлорофилла катализируется ферментами хлорофиллазы, и мы наблюдали различные паттерны экспрессии у E. nindensis и O. thomaeum , отражающие альтернативные стратегии деградации или удержания хлорофилла во время обезвоживания ( SI Приложение , рис. S12). Хлорофиллаза E. nindensis (En_0076685) была активирована в 3,5 раза при сушке, но не имела изменений в экспрессии в любой другой момент времени. Синтенический ортолог в O.thomaeum (Ot_Chr2_06331) не подвергался повышенной регуляции в любой момент времени высыхания, но был слегка повышен через 48 ч после регидратации. Две хлорофиллазы E. tef (Et_2A_015704 и Et_2B_019834) активируются в семенах, но не в листьях, что позволяет предположить, что связанная с высыханием экспрессия хлорофиллазы может быть специфической для восстанавливающих хлорофилл растений. Связанная со старением деградация хлорофилла катализируется феофитиназой (30, 31), которая активируется у всех трех видов, что позволяет предположить, что активность феофитиназы является более общей реакцией на засуху ( SI Приложение , рис.S12).

Динамика хроматина и эпигенетические изменения при сушке.

Изменения модификаций гистонов и метилирования ДНК коррелируют со стресс-индуцированной экспрессией генов, и эти процессы являются неотъемлемой частью многих стрессовых реакций (32). Модификации гистонов также важны для регуляции покоя семян, возможно, благодаря их термочувствительной роли (33). Ранее предполагалось, что модификации хроматина могут быть частично ответственны за регуляторные изменения генов, необходимые для устойчивости к высыханию (34, 35).Мы исследовали изменения метилирования и динамику хроматина в хорошо увлажненных и высушенных листьях E. nindensis с использованием Bisulfite-seq и ChIP-seq с модификацией гистона, связанной с открытым хроматином (h4K4me3). h4K4me3 коррелирует с активной транскрипцией, и эти гистоновые метки накапливаются непосредственно перед сайтом начала транскрипции активно транскрибируемых генов (36). Мы идентифицировали области с дифференциальным связыванием антитела h4K4me3 между хорошо политыми листьями E. nindensis и высушенными листьями с момента времени D3.В трех повторностях хорошо политых листьев мы идентифицировали 25 754 пика h4K4me3 со значительным расширенным охватом (критерий Вальда q <0,05) по сравнению с входным контролем (рис. 6 A ). Образцы D3 содержали 47 312 пиков и 15 832 пика, перекрытых по крайней мере одним основанием с хорошо политыми пиками. Несмотря на большое количество уникальных пиков в каждом состоянии, только 3757 пиков имели значительно большее связывание в D3 по сравнению с WW (критерий Вальда q <0,05), а 949 пиков имели значительно большее связывание в WW по сравнению с D3 (рис.6 С ). Мы определили ближайший ген к каждому из этих дифференциально связанных пиков и протестировали на обогащение генов с повышающей или понижающей экспрессией в D3 по сравнению с WW. Мы обнаружили значительное обогащение генов как с повышающей, так и с пониженной регуляцией среди генов, проксимальных к пикам с повышенным связыванием в D3 (рис. 6 B ). Только гены с пониженной регуляцией в D3 по сравнению с WW были обогащены пиками h4K4me3 с повышенным связыванием в образцах WW. Значительное количество измененных модификаций гистона h4K4me3 и перекрытие с дифференциально экспрессируемыми генами предполагает, что динамика хроматина играет центральную роль в устойчивости к высыханию.

Рис. 6.

Изменения модификаций гистонов, связанные с высыханием у E. nindensis . ( A ) Диаграмма Венна перекрывающихся пиков h4K4me3 между хорошо обводненными и высушенными образцами. ( B ) Обогащение пиков h4K4me3 и активации генов во время высыхания. Ожидаемое фоновое распределение показано голубым или светло-красным цветом, а наблюдаемое показано красным и синим цветом для генов с повышенной и пониженной регуляцией, соответственно. ( C ) Тепловая карта кратного обогащения пиков в стартовом сайте транскрипции генов.Цветовая шкала представляет значения обогащения log2 для входных данных.

Мы исследовали изменения в метилировании ДНК в высушенной (D3), регидратированной и хорошо увлажненной ткани листа. Подобно другим растениям, E. nindensis имеет низкие уровни метилирования CHH по геному и умеренные уровни метилирования CpG и CHG (рис. 7 A ). Не было глобальной разницы в уровнях метилирования в исследуемые моменты времени засухи и регидратации. Однако уровни метилирования выше, ниже по течению и внутри тела гена варьировались в трех временных точках (рис.7 В ). Метилирование тела генов CpG и CHH было ниже в высушенной и регидратированной ткани листа по сравнению с хорошо увлажненной тканью листа. Интересно, что метилирование тела гена CHG было выше в регидратированной ткани листа по сравнению с хорошо увлажненной и высушенной тканью листа, без снижения уровня метилирования вокруг сайта начала транскрипции выше или ниже сайта терминации транскрипции (Fig. 7 B ). Этот общий паттерн согласуется с индуцированным стрессом гипометилированием и транскрипционным репрограммированием (37).

Рис. 7.

Изменения метилирования ДНК, вызванные высыханием, у E. nindensis . ( A ) Глобальные паттерны метилирования CHH, CpG и CHG по геному для образцов WW, высушенных (D3) и 24-часовой пострегидратации (R24) листьев. ( B ) Метилирование тела гена для трех контекстов метилирования в исследуемых образцах. Метилирование отображается в скользящем окне для всех генов в восходящем (сайт начала транскрипции: TSS), нижестоящем (сайт терминации транскрипции: TTS) и в теле генов.

Обсуждение

Устойчивость к высыханию постоянно развивалась у растений, животных и микробов как обычная адаптация к окружающей среде с ограниченным количеством воды. Чтобы выжить в условиях экстремального высыхания, необходимо скоординированное развертывание сложных процессов для предотвращения окислительного повреждения и защиты макромолекул и мембран клеток. Некоторые основные элементы реакции высыхания характерны для разных эукариот (38), и потенциал развития толерантности широко распространен. Устойчивые к высыханию растения сталкиваются с дополнительной проблемой противостоять избытку света во время длительного высыхания и в ответ на них развили уникальные фотозащитные механизмы, такие как индуцированное ранним светом расширение семейства генов белков (29, 39).Происхождение устойчивости растений к высыханию, вероятно, связано с колонизацией земли, где водорослевые предки растений испытали бы быстрое и продолжительное высыхание. Ранее предполагалось, что эта толерантность впоследствии утрачивается в вегетативных тканях большинства наземных растений, но сохраняется в семенах, спорах и пыльце. Толерантность к вегетативному усыханию у покрытосеменных, вероятно, многократно восстанавливалась независимо (5). Альтернативным объяснением распределения толерантности к вегетативному усыханию среди покрытосеменных являются множественные реверсии в чувствительных к высыханию линиях, аналогичные паттерну, ранее описанному для эволюции азотфиксирующего симбиоза (40).Однако множественные независимые достижения устойчивости к вегетативному усыханию более вероятны из-за большого количества реверсий, необходимых для объяснения распространения признака. Кроме того, геномные данные о независимом усилении вовлеченных компонентов, включая очевидную независимую экспансию ранних индуцированных светом белков в устойчивых к высыханию клонах, предполагают множественные независимые приросты фенотипа, устойчивого к высыханию (29). Периодическая эволюция устойчивости к вегетативному усыханию у различных цветковых растений ранее приписывалась изменению проводки путей высыхания семян и пыльцы (4).Исследования, изучающие экспрессию генов во время сушки, неоднократно подтверждали это утверждение, определяя повышенную экспрессию генов, связанных с семенами, в вегетативных тканях во время сушки (7, 8). Однако в нескольких исследованиях проводились полногеномные сравнения толерантных и чувствительных видов, чтобы проверить, действительно ли эти гены, связанные с семенами, уникальны для устойчивых к высыханию растений. Другая возможность состоит в том, что эти широкие связанные с семенами пути никогда не терялись в вегетативных тканях, а вместо этого были перепрофилированы на роли в типичных реакциях на засуху.

Используя сравнительный подход, мы наблюдали аналогичную картину экспрессии связанного с семенами пути при дефиците воды у устойчивых к высыханию и чувствительных к высыханию трав. Это не совсем удивительно, поскольку некоторые пути, связанные с обезвоживанием семян, хорошо охарактеризованы, частично совпадая с реакциями засухи, такими как накопление осмопротекторов, белков LEA и поглотителей ROS (41–43). Например, 22 из 57 генов LEA в Arabidopsis имеют экспрессию, вызванную засухой, но только 10 генов LEA имеют перекрывающуюся экспрессию в высыхающих семенах (44).У устойчивых к высыханию и чувствительных к высыханию трав мы наблюдали существенное перекрытие между экспрессией LEA при дефиците воды в листьях и развивающихся семенах. В более широком смысле, АБК является центральной сигнальной молекулой для экологического стресса и развития семян, и регуляторные сети на основе АБК имеют некоторое перекрытие между этими процессами (45). АБК-чувствительный фактор транскрипции ABI3 является хорошо изученным регулятором путей высыхания созревания семян (46, 47). В устойчивом к высыханию однодольном Xerophyta viscosa ортологи большинства ABI3-регулируемых генов экспрессируются в листьях во время обезвоживания (7).Сходным образом мы обнаружили, что большинство из 23 ортогрупп, содержащих ABI3-чувствительные гены, активируются во время высыхания как у E. nindensis , так и у O. thomaeum . Однако многие из этих ортогрупп также были активированы во время стресса из-за дефицита воды у чувствительных к высыханию трав E. tef и O. sativa . Хотя большинство ABI3-чувствительных генов индуцируются при дефиците воды, экспрессия ортологов ABI3 была низкой как у E. nindensis , так и у O.thomaeum . Это согласуется с недавними результатами исследования Xerophyta humilis , где не было доказательств того, что ABI3 или каноническая сеть регуляции созревания семян LAFL ответственны за устойчивость к высыханию (48). Взятые вместе, это предполагает, что многие «связанные с семенами» гены выражаются как универсальный ответ на дефицит воды, но регуляция этих процессов, вероятно, отличается от регуляторных сетей семян.

Мы определили сильную корреляцию между индукцией генов, связанных с семенами, и серьезностью обработки трав от засухи.Сравнительно мало генов, связанных с семенами, было экспрессировано в условиях умеренной засухи в любой траве, но их количество резко возросло по мере снижения относительного содержания воды. Эта тенденция могла быть упущена из виду в предыдущих исследованиях, так как большинство экспериментов с водным дефицитом являются сравнительно мягкими, а летальные или сублетальные стрессы изучаются редко. Эти связанные с семенами пути могут быть вызваны последней попыткой при тяжелых условиях, но их недостаточно или слишком поздно для предотвращения смертельного ущерба. В развивающихся семенах содержание воды уменьшается, поскольку накопление запасов пищи вытесняет клеточную воду (49).Семена начинают приобретать толерантность к высыханию, начиная с ~ 50% RWC, и 50% семян были толерантными при ~ 30% RWC (50). Это указывает на то, что общая реакция дефицита воды происходит в семенах до реакции высыхания. Эта картина очень похожа на то, что наблюдается у обезвоживающих воскрешающих видов, и наводит на мысль об общем наследственном механизме, связанном с содержанием воды или водным потенциалом. Эта гипотеза требует дальнейшего рассмотрения, так как было собрано только два набора данных по травам, чувствительным к высыханию, с данными по экспрессии и физиологии засухи.Необходима дальнейшая работа по сравнению экспрессии генов, специфичных для семян, во время сильной засухи и, что важно, захваченных при низком относительном содержании воды.

Наши результаты предполагают сильное перекрытие между реакциями засухи и высыхания, но какие элементы являются уникальными для высыхания? Ранее было показано, что экспансия генов ELIP является консервативной среди всех секвенированных растений, устойчивых к высыханию (29). Подобно другим устойчивым к высыханию растениям, E. nindensis содержит экспансию ELIP, и большинство из них сильно экспрессируются во время дегидратации.Интересно, что ELIPs наиболее высоко экспрессируются у E. nindensis во время регидратации, в отличие от паттернов, наблюдаемых у видов, удерживающих хлорофилл. Высокая экспрессия ELIP также наблюдалась во время регидратации у разрушающих хлорофилл видов Xerophyta viscosa (7). ELIP могут защищать листья во время медленного восстановления после регидратации у видов, разлагающих хлорофилл, отражая их роль в прорастании семян (51). В соответствии с адаптацией к легкому стрессу, E.nindensis экспрессирует гены биосинтеза антоцианов и каротиноидов на гораздо более высоких уровнях, чем E. tef . Более того, ортологи хаб-регулятора фотоморфогенеза HY5 экспрессируются во время засухи исключительно у устойчивых к высыханию видов. Таким образом, мы делаем вывод, что механизмы защиты от фотоокислительного повреждения имеют решающее значение для фенотипа, устойчивого к высыханию, даже у видов, разлагающих хлорофилл.

Устойчивость к высыханию обнаружена у пяти триб хлоридоидных трав девяти родов в четырех разных кладах среди множества видов, чувствительных к высыханию (6).Многие хлоридоидные травы устойчивы к засухе и жаре, и такая предварительная адаптация, возможно, способствовала повторяющейся эволюции устойчивости к высыханию в пределах этого подсемейства. Возможно, что некоторые механизмы устойчивости к высыханию являются общими для чувствительных к высыханию, но все же очень устойчивых членов этого подсемейства. Это могло бы объяснить сильное совпадение паттернов экспрессии между E. nindensis и E. tef и индукцию подобных генов, связанных с семенами. Такие виды, как E.tef может представлять собой промежуточные звенья эволюции с индукцией некоторых путей, связанных с высыханием, которые не наблюдаются у менее толерантных растений. Стратегии устойчивости к высыханию варьируются в зависимости от злаков, и E. nindensis и O. thomaeum используют разные стратегии фотозащиты для борьбы с ангидробиозом. E. nindensis в значительной степени разрушает свой хлорофилл перед высыханием, а O. thomaeum сохраняет и защищает свои комплексы хлорофилла и фотосистемы II.Хотя многие специфичные для высыхания ортогруппы одинаково экспрессируются у обоих видов, мы наблюдали уникальные паттерны экспрессии, которые могут отражать разные стратегии фотозащиты.

Ремоделирование хроматина играет важную роль в развитии семян, и ранее было высказано предположение, что динамика хроматина может иметь сходную роль в устойчивости к высыханию (35, 52, 53). Мы не обнаружили глобальных изменений метилирования во время высыхания; однако мы действительно наблюдали интригующий образец обогащения модификациями гистона h4K4me3 выше генов, подавляемых во время высыхания.Как правило, гистоновые метки h4K4me3 накапливаются выше активно транскрибируемых генов, что мы также наблюдали как в хорошо увлажненных, так и в высушенных образцах. Однако наблюдаемое обогащение у генов с пониженной регуляцией необычно. В семенах ремоделирование хроматина важно для уплотнения генома, а также для подготовки генома к транскрипции при прорастании (54). Мы предполагаем, что наблюдаемое обогащение гистоновыми метками h4K4me3 выше регулируемых генов может быть признаком ремоделирования хроматина при подготовке к транскрипции после регидратации.

Здесь мы предполагаем, что пути обезвоживания семян являются важными компонентами как реакции засухи, так и вегетативного обезвоживания. Многочисленные предыдущие исследования показали, что гены дегидратации семян важны для защиты листьев устойчивых к высыханию видов. Мы идентифицировали подобный паттерн у E. nindensis ; однако сравнение с E. tef и другими травами показывает, что пути прохождения семян также важны в листьях чувствительных к высыханию видов во время засухи.Важность этих путей для общей реакции на засуху недооценивалась в предыдущей литературе. Тем не менее, некоторые аспекты путей обезвоживания семян, по-видимому, специфичны для семян и листьев устойчивых к высыханию растений. Фотозащитные пути, которые важны для прорастания семян, также активны в высушенной и регидратирующей ткани листьев воскрешающих растений. Своевременная, скоординированная и упорядоченная индукция этих чувствительных к высыханию путей может иметь важное значение для разработки улучшенной стрессоустойчивости сельскохозяйственных культур.

Материалы и методы

Образцы E. nindensis (PI 410063) и E. tef (PI 524434) были получены из Информационной сети по ресурсам зародышевой плазмы Министерства сельского хозяйства США (http: //www.ars-grin) .gov /). Методологические детали условий роста растений, лечения дефицита воды, выделения нуклеиновых кислот, сборки генома, сравнительной геномики, анализа экспрессии, Bisulfite-Seq и ChIP-seq описаны в Приложении SI , Дополнительные материалы и методы .

Доступность данных.

Необработанные данные PacBio, данные Illumina DNA-seq, данные RNA-seq, бисульфит-seq и ChIP-seq доступны в архиве краткого чтения Национального центра биотехнологической информации (NCBI). E. nindensis Данные RNAseq можно найти под номером доступа BioProject. Данные PRJNA548129 и PRJNA548367, а также E. tef RNAseq можно найти под номером доступа BioProject. PRJNA548000. Bisulfite-seq и ChIP-seq для E. nindensis можно найти в разделе BioProject acession no.PRJNA548367. Геном E. nindensis V2.1 можно загрузить с регистрационного номера NCBI BioProject. PRJNA622516 и CoGe (ID 54689). Код, используемый для анализа данных выражений, доступен на GitHub (https://github.com/pardojer23/VanBuren_Lab_Genomics_Tools).

Благодарности

Мы благодарим Yao Cao за помощь с окрашиванием DAPI и кариотипированием, Alan Yocca за помощь с его конвейером Ka / Ks и Scott Pardo за обзор отчетов о статистических результатах. Работа поддержана грантом NSF MCB ‐ 1817347 (Р.V.) и наградой за докторскую подготовку T32-GM110523 от Национального института общих медицинских наук NIH (J.P.). Ханна Чай получила поддержку в рамках программы по естествознанию, математике и инженерии с отличием в средней школе Университета штата Мичиган.

Сноски

• Вклад авторов: J.P. and R.V. спланированное исследование; J.P., C.M.W., H.C., C.F.M. и R.V. проведенное исследование; H.W.M.H. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; J.P., C.M.W., H.W.M.H., J.M.F. и R.V.проанализированные данные; и J.P., H.W.M.H., J.M.F. и R.V. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS. НАПРИМЕР. Приглашенный редактор по приглашению редакционной коллегии.

• Размещение данных: необработанные данные PacBio, данные Illumina DNA-seq, данные RNA-seq, данные бисульфита-seq и ChIP-seq доступны в Кратком архиве Национального центра биотехнологической информации (NCBI). Данные Eragrostis nindensis можно найти под регистрационным номером BioProject.PRJNA548129 и PRJNA548367. Данные Eragrostis tef можно найти под регистрационным номером BioProject. PRJNA548000. Oropetium thomaeum Данные RNAseq можно найти в BioProject PRJNA548527. Геном E. nindensis V2.1 можно загрузить из баз данных NCBI PRJNA622516 и CoGe (ID 54689).

• Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2001

  7/-/DCSupplemental.

• Copyright © 2020 Автор (ы).Опубликовано PNAS.

Повышение устойчивости арабидопсиса к стрессу засухи за счет слияния CRISPR / dCas9 с гистон-ацетилтрансферазой

20B2 (2015).