Соевые бобы, похоже, наследуют плохие воспоминания своих родителей

Фото из открытых источников

Когда растения сои переживают нападения насекомых и периоды засухи, они запоминают. Хотя растения не обладают такой памятью, как животные, исследования, проведённые на Арканзасской сельскохозяйственной экспериментальной станции, показывают, что растения сои могут передавать адаптивные реакции на стресс, например, вызванный голодными насекомыми, из поколения в поколение, не изменяя свою ДНК.

Ученые называют этот тип адаптации между поколениями «трансгенерационной пластичностью», и существует общее мнение, что независимые стрессоры, такие как засуха и травоядность (или животные, питающиеся растениями), могут индуцировать экспрессию генов, возможно, через эпигенетику. В отличие от генетических изменений, или мутаций, эпигенетические изменения обратимы и изменяют не последовательность ДНК, а то, как организм считывает её.

На примере сои — одной из важнейших сельскохозяйственных культур в мире — исследователи экспериментальной станции, являющейся исследовательским подразделением Системного отделения сельского хозяйства Университета Арканзаса, обнаружили первые доказательства того, что засуха и поедание травоядных насекомых могут оказывать долгосрочное, передающееся из поколения в поколение воздействие. Эти стрессоры не только влияют на материнские растения, но и изменяют свойства и защитные механизмы их потомства.

Исследование демонстрирует некоторые положительные и отрицательные воздействия стрессоров на потомство растений и может быть использовано для создания более устойчивых культур в том же сезоне.

По словам Рупеша Карият из Сельскохозяйственного отделения и Колледжа сельского хозяйства, продовольствия и наук о жизни имени Дейла Бамперса, вакцина способна вырабатывать иммунитет, поэтому такие методы, как «прайминг» и «закаливание» на ранних стадиях вегетации, могут позволить растениям противостоять будущим неудачам с минимальным снижением урожайности.

«Это даёт нам возможность управлять степенью стресса сои, чтобы усилить её защиту в начале сезона, не ставя под угрозу конечный урожай», — сказал Карият. «Но есть одна загвоздка: нам ещё предстоит определить пороговое значение засухи и травоядности, которое может принести растениям больше вреда, чем пользы».

В течение последних двух лет Карият, а также Маниш Гаутам и Инша Шафи изучали как гусеницы двух насекомых — соевой пяденицы и кукурузной совки — взаимодействуют с растениями сои, а также их воздействие на родительские и потомственные растения в различных ситуациях, включая совпадение засухи и последовательного травоядия.

Их исследования недавно были опубликованы в журналах Plant-Environment Interactions, Plant, Cell & Environment и Environmental and Experimental Botany.

Карият отмечает, что изменение климата уже усугубляет угрозу, исходящую от насекомых. «Насекомые становятся крупнее, и каждый год у них сменяется несколько поколений, — сказал он. — Это приводит к увеличению использования пестицидов, что не способствует устойчивому развитию».

Повышение устойчивости сои к стрессу посредством формирования стрессовой памяти может снизить зависимость от пестицидов, что принесёт значительные экологические и экономические выгоды. В то время как американские фермеры обычно ежегодно закупают свежие семена, в Бразилии и Кении многие фермеры полагаются на сохранённые семена, чтобы избежать высокой стоимости коммерческих сортов. В таких системах признаки, передаваемые от родительских растений потомству, становятся особенно важными.

Карият с командой провели многоуровневые эксперименты, чтобы проверить, становятся ли растения сои в условиях засухи более уязвимыми для насекомых, и какая часть памяти родительского растения — его реакции на стресс — передается его потомству, чтобы справляться с определенными видами травоядных.

Потомство растений, подвергшихся стрессу, имело семена с более высоким содержанием азота и белка – ключевых маркеров приспособленности растений. У потомства также было больше цветков и более плотная структура трихом – крошечных волосковидных образований, защищающих растения от вредителей. Карият отметил, что эти положительные эффекты были наиболее выражены, когда родительские растения испытывали одновременно засуху и давление травоядных.

Несмотря на эти преимущества, стрессовая память имела свою цену: мощная защита, но более слабый рост. У потомства, подвергшегося стрессу, наблюдалась более низкая урожайность, в том числе более высокая доля пустых стручков.

Количество защитных трихом также уменьшалось по мере созревания, что позволяет предположить, что усиленная защита может быть кратковременной или возрастной. Исследование показывает, что существует дорогостоящий компромисс между выживаемостью и продуктивностью, сказал Карият.

Карият пришёл к выводу, что их исследования на данный момент указывают на то, что стрессовая память у соевых бобов — палка о двух концах. Хотя она может улучшить защиту и раннюю жизнеспособность, она также приводит к физиологическим компромиссам, которые в конечном итоге снижают выносливость и урожайность.

Чтобы выяснить, способны ли насекомые распознавать последствия засухи в соевых бобах, исследователи построили крошечные мостики между растениями, ранее подвергшимися засухе, и растениями, которые постоянно получали достаточно воды. Они наблюдали, как гусеницы соевой пяденицы останавливались, поворачивали голову и часто возвращались к более здоровым растениям, отмечается в исследовании.

Масштаб повреждений, наносимых гусеницами постоянно поливаемым растениям, был значительно выше, чем у растений, оправившихся от засухи, что подтверждает «гипотезу силы растений» о том, что вредители предпочитают крепких хозяев.

Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на одном стрессоре, но в реальных условиях фермерского хозяйства часто присутствует несколько факторов. Команда Карият исследовала, что происходит при последовательном нападении соевой совки и кукурузной листовой совки. Результаты оказались неожиданными.

Когда первым появился соевый пяденица, потомство соевых растений имело на 40% более высокое содержание азота, больше цветов и стручков и более высокий уровень белка, чем при обратном порядке.

Хотя это может указывать на то, что травоядность может способствовать повышению продуктивности соевых бобов, Карият предупреждает, что эффект зависит от типа, времени и силы стрессовых факторов.

«Травоядность не всегда улучшает продуктивность растений, но тип, интенсивность и сочетание стрессоров определяют, будут ли реакции полезными или вредными», — сказал Карият. «Согласно имеющимся на данный момент исследованиям, хотя умеренный или минимальный биотический стресс может повышать устойчивость сои — и это также наблюдается в других системах, — комбинированный абиотический и биотический стресс может привести к истощению продуктивности, запуская дорогостоящие защитные реакции, которые часто ставят под угрозу урожайность и приспособленность».

Например, волосовидные структуры на растениях, называемые трихомами, увеличились в потомстве растений, подвергшихся засухе и воздействию травоядных, в большей степени, чем у тех, кто подвергался только воздействию засухи. Однако при последовательном тестировании травоядных различий в плотности трихом не наблюдалось, что свидетельствует о том, что растения, справляясь только с травоядными, инвестировали в физиологические и физиологические характеристики, а не в физическую защиту.

Это говорит о том, что засуха может играть важную роль в смещении баланса от полезного стресса к вредной перегрузке.