В Долине Смерти, штат Калифорния, где летняя температура часто превышает 49 градусов Цельсия, выживание кажется почти невозможным. Однако среди растрескавшейся почвы и палящего солнца одно местное растение не только выдерживает, но и процветает.
Это растение, Tidestromia oblongifolia, помогло ученым из Мичиганского государственного университета раскрыть, как жизнь может сохраняться в столь экстремальных условиях. Их открытия предлагают потенциальное руководство для разработки сельскохозяйственных культур, способных выживать в условиях все более жаркого климата.
В исследовании, опубликованном в журнале Current Biology, профессор Сын Йон «Сью» Ри и научный специалист Карин Прадо сообщают, что Tidestromia oblongifolia на самом деле растет быстрее в летних условиях Долины Смерти. Растение достигает этого, тонко настраивая свою фотосинтетическую систему для противостояния разрушительному воздействию жары.
Для Прадо проект начался с простого вопроса: как это растение может оставаться зеленым и здоровым, когда большинство других увядает за считанные часы? «Когда мы впервые привезли эти семена в лабораторию, нам приходилось бороться, чтобы они проросли, – рассказала Прадо. – Но как только нам удалось имитировать условия Долины Смерти в наших камерах для выращивания, они пошли в рост».
Работая с коллегами из лаборатории Ри в Институте устойчивости растений Мичиганского государственного университета, Прадо использовала специально сконструированные камеры для воспроизведения сурового света пустыни и экстремальных суточных колебаний температуры. Результаты оказались поразительными. Всего за 10 дней Tidestromia oblongifolia утроила свою биомассу. В то же время другие родственные виды, известные своей теплоустойчивостью, полностью прекращали рост.
Всего через два дня в условиях экстремальной жары Tidestromia oblongifolia расширила свою «зону комфорта» для фотосинтеза, что позволило ей эффективно продолжать производство энергии. В течение двух недель ее оптимальная температура для фотосинтеза поднялась до 45 градусов Цельсия – это выше, чем у любой крупной сельскохозяйственной культуры, когда-либо зарегистрированной.
«Это самое термоустойчивое растение, когда-либо задокументированное, – отметила Ри. – Понимание того, как Tidestromia oblongifolia акклиматизируется к жаре, дает нам новые стратегии для адаптации сельскохозяйственных культур к потеплению планеты».
Используя комбинацию физиологических тестов, живой визуализации и геномного анализа, исследовательская группа обнаружила, как Tidestromia oblongifolia координирует множество биологических систем для выживания. При температуре, характерной для Долины Смерти, митохондрии растения – структуры, вырабатывающие энергию, – перемещаются ближе к хлоропластам, где происходит фотосинтез. В то же время хлоропласты приобретают своеобразные «чашеобразные» формы, ранее не наблюдавшиеся у высших растений. Эти адаптации могут помочь растению более эффективно улавливать и перерабатывать углекислый газ, поддерживая производство энергии даже в условиях стресса.
В течение 24 часов после воздействия жары тысячи генов изменяют свою активность. Многие из них участвуют в защите белков, мембран и фотосинтетического аппарата от повреждений. Растение также увеличивает производство фермента, известного как Рубиско-активаза, который помогает поддерживать бесперебойную работу фотосинтеза при высоких температурах.
Поскольку ожидается, что к концу столетия глобальные температуры повысятся на целых 5 градусов Цельсия, экстремальная жара уже снижает урожайность таких основных культур, как пшеница, кукуруза и соя. По мере роста населения планеты ученые спешат найти способы поддержания производства продуктов питания.
«Tidestromia oblongifolia показывает нам, что растения способны адаптироваться к экстремальным температурам, – подчеркнула Ри. – Если мы сможем научиться воспроизводить эти механизмы в сельскохозяйственных культурах, это может преобразовать сельское хозяйство в мире, который станет жарче».
В течение десятилетий биология растений фокусировалась на модельных видах, которые легко культивировать, таких как Arabidopsis, рис и кукуруза. Ри считает, что пришло время выйти за рамки этих знакомых растений и изучать виды, которые эволюционировали, чтобы выживать в самых суровых условиях мира.
«Пустынные растения потратили миллионы лет на решение проблем, с которыми мы только начинаем сталкиваться, – отметила она. – У нас, наконец, есть инструменты, такие как геномика, высокое разрешение живой визуализации и системная биология, чтобы учиться у них. Что нам сейчас нужно, так это более широкая поддержка для проведения такого рода исследований».
Ее лаборатория уже применяет эти знания, изучая, как гены и клеточные структуры, придающие Tidestromia oblongifolia такую необычайную устойчивость, могут быть использованы для повышения термоустойчивости продовольственных культур.
«Это исследование не просто рассказывает нам о том, как одно пустынное растение побеждает жару, – заключила Прадо. – Оно дает нам дорожную карту того, как все растения могут адаптироваться к изменяющемуся климату».
