Ученые объяснили, как растения помнят стресс без мозга

Фото из открытых источников

Это может показаться странным, но растения могут помнить стресс. Ученые все еще изучают, как растения делают это без мозга. Но с учетом того, что изменение климата угрожает сельскохозяйственным культурам по всему миру, понимание памяти растений о стрессе может помочь продовольственным культурам стать более устойчивыми.

С момента колонизации суши 500 миллионов лет назад растения выработали способы защиты от вредителей и болезней. Одна из их самых захватывающих способностей — «запоминать» стрессовые ситуации и использовать эту память для самозащиты.

Это явление, называемое иммунным праймингом, похоже на то, как вакцины помогают людям вырабатывать иммунитет, но основано на других механизмах.

Так как же они это делают без мозга?

Растения генетически устойчивы к подавляющему большинству потенциально вредных микробов. Однако небольшое количество микробов развили способность подавлять врожденный иммунитет, что позволяет им заражать организмы и вызывать заболевания.

Вот почему позвоночные, включая людей, развили мобильную иммунную систему, которая опирается на клетки памяти B и T. Эти клетки памяти активируются при воздействии болезни или вакцинации, что помогает нам стать более устойчивыми к рецидивирующим инфекциям.

Растения не имеют специализированных клеток для приобретения иммунной памяти. Вместо этого они полагаются на так называемые «эпигенетические» изменения в своих клетках, чтобы хранить информацию о прошлых атаках и подготовить свою врожденную иммунную систему. Будучи подготовленными, растения могут лучше противостоять вредителям и болезням — даже если они изначально были генетически восприимчивы.

Исследования последних 10–15 лет показали, что многократное и длительное воздействие вредителей или болезней может вызывать долгосрочные эпигенетические изменения в ДНК растений, не изменяя при этом основную последовательность ДНК. Это позволяет растениям оставаться в состоянии готовности к защите.

Иммунная подготовка была зарегистрирована у разных видов растений: от короткоживущих однолетних растений, таких как кресс-салат Таля Arabidopsis thaliana, который живет несколько недель, до долгоживущих видов деревьев, таких как ель обыкновенная, которая может жить до 400 лет.

Однако иммунный прайминг обходится растению дорого, например, в виде снижения роста. Таким образом, праймированная память обратима и ослабевает в течение более длительных периодов без стресса. Однако, в зависимости от силы стрессового стимула, прайминг может быть пожизненным и даже передаваться следующим поколениям. Чем сильнее стресс, тем дольше растения помнят.

Растения постоянно изменяют активность своих генов, чтобы развиваться и адаптироваться к окружающей среде. Гены могут быть выключены в течение длительных периодов времени эпигенетическими изменениями. У растений эти изменения чаще всего происходят в транспозонах (также известных как «прыгающие гены») — участках ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Транспозоны обычно неактивны, потому что они могут вызывать мутации. Но стресс изменяет эпигенетическую активность в растительной клетке, что может частично «разбудить их».

Это способствует формированию и поддержанию долговременной памяти у растений.

У растений, которые еще не испытали стресса, защитные гены в основном неактивны, чтобы предотвратить ненужную и дорогостоящую иммунную активность. Длительные эпигенетические изменения транспозонов после выздоровления от болезни могут подготовить защитные гены к более быстрой и сильной активации при повторном стрессе. Хотя ученые все еще не выяснили, как именно это работает, очевидно, что эпигенетические изменения в этих прыгающих генах играют важную роль в помощи растениям в адаптации к угрозам.

Растения не только полагаются на внутреннюю эпигенетическую память, чтобы повысить свою устойчивость к вредителям и болезням. Они также могут использовать свою окружающую среду для хранения стрессовой памяти. Подвергаясь атаке, растения выделяют химические вещества из своих корней, привлекая полезные микробы, которые могут подавлять болезни. Если это кондиционирование почвы достаточно сильное, оно может оставить долгосрочное «почвенное наследие», которое может принести пользу растениям следующего поколения. После того, как почва кондиционирована, эти полезные микробы остаются около корней растений, чтобы помочь растению бороться с болезнями.

В некоторых видах растений, таких как кукуруза, ученые идентифицировали вторичные метаболиты, управляющие этой внешней стрессовой памятью. Это специализированные метаболиты, которые не являются необходимыми для первичного метаболизма клетки. Они часто играют роль в защите или других формах сигнализации окружающей среды, таких как привлечение полезных микробов или насекомых.

Некоторые из генов, контролирующих эти корневые химикаты, регулируются стресс-чувствительными эпигенетическими механизмами. Это указывает на то, что механизмы, управляющие внутренней и внешней памятью растений, взаимосвязаны.

Понимание того, как растения хранят и используют воспоминания о стрессе, может произвести революцию в защите урожая. Использование естественной способности растений бороться с вредителями и болезнями может помочь нам снизить зависимость от химических пестицидов и создать культуры, которые лучше справляются с экологическими стрессами. Поскольку мы сталкиваемся с растущими проблемами, связанными с антропогенным изменением климата и ростом спроса на продовольствие, это исследование может предложить многообещающие инструменты для разработки более устойчивых схем защиты урожая.