Растения могут почти мгновенно прекратить рост, чтобы пережить внезапный стресс

Фото из открытых источников

Растения не могут убежать от опасности. Когда солнечный свет внезапно становится слишком интенсивным, температура резко повышается или условия становятся неблагоприятными, им приходится выживать именно там, где они находятся.

Чтобы справиться с ситуацией, они полагаются на быстрые внутренние изменения. Одно из важнейших — способность замедлять рост практически мгновенно — не в течение часов или дней, а за считанные минуты. Такая быстрая реакция может означать разницу между выживанием после всплеска стресса и получением необратимых повреждений.

Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR) заявляют, что им удалось выяснить, как на самом деле происходит это резкое замедление. Полный текст исследования опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Их открытия не только раскрывают скрытую стратегию выживания внутри растительных клеток, но и помогают объяснить, почему некоторые попытки вывести сельскохозяйственные культуры с более высокими урожаями или лучшей устойчивостью к стрессам не увенчались успехом.

В исследовании основное внимание уделяется важнейшему метаболическому пути внутри растительных клеток – своего рода биохимическому конвейеру, производящему соединения, необходимые для роста, развития и выживания.

В нормальных условиях этот метаболический путь работает непрерывно, обеспечивая устойчивый рост. Если один из его ключевых ферментов полностью выходит из строя, растение не сможет выжить.

Однако в условиях стресса система ведет себя совершенно иначе. Вместо того чтобы ждать более медленных генетических изменений — таких как корректировка уровня РНК или производство новых белков — растения могут практически мгновенно замедлить этот процесс, изменив активность уже существующих ферментов.

«Такая реакция должна быть незамедлительной», — сказала профессор Кэти Дехеш из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Изменение экспрессии генов требует времени, но модификация активности ферментов позволяет растению реагировать немедленно и выживать».

У многих организмов стандартная реакция на стресс заключается в корректировке уровня РНК, изменении производимых белков и постепенном переключении метаболизма. Такой подход хорошо работает, когда есть время.

Однако для растений внезапный световой или тепловой стресс может нанести вред в течение нескольких минут. Если листья будут продолжать работать на полную мощность во время стрессового воздействия, они рискуют получить серьезные повреждения клеток.

Таким образом, группа исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде утверждает, что растения полагаются на более быструю стратегию: они корректируют активность уже имеющихся у них ферментов, по сути, снижая скорость метаболизма без перестройки всей системы.

Исследователи описывают эту реакцию как двухфазный процесс. Первая фаза является немедленной и защитной. В стрессовых условиях, таких как интенсивный свет, молекулы активного кислорода накапливаются и препятствуют работе ферментов в метаболическом пути.

Активность ферментов снижается, и выход продукта метаболического пути падает. В то же время начинают накапливаться определенные соединения, «засоряя» более ранние этапы процесса, что еще больше замедляет весь процесс.

В результате срабатывает быстрый, встроенный тормоз: вырабатывается меньше веществ, влияющих на рост, и растение фактически приостанавливает развитие, пока преодолевает стресс.

Вторая фаза разворачивается медленнее. Если стрессовые условия сохраняются, растение начинает внутреннюю реорганизацию, перенаправляя ресурсы на выживание и восстановление, а не на рост. Это помогает растению адаптироваться, но часто это имеет видимые последствия: меньший размер, замедление роста и снижение потенциальной урожайности.

Эта двухэтапная схема может показаться мелочью, но, по словам команды, это одна из главных причин, почему многие предыдущие попытки вывести растения с более высокой урожайностью или большей устойчивостью к стрессовым факторам потерпели неудачу.

Ученые пытались модифицировать этот метаболический путь, чтобы повысить урожайность сельскохозяйственных культур, улучшить засухоустойчивость или увеличить производство ценных молекул, таких как каротиноиды (соединения, которые помогают защитить клетки от повреждений).

Однако эксперты утверждают, что в ходе этих усилий зачастую не учитывалась встроенная в дорожку «система торможения при нагрузке».

Если исследователи будут сильнее нагружать этот метаболический путь, не понимая, как и почему стресс его замедляет, растение может просто резко затормозить. Это также может привести к накоплению промежуточных продуктов, которые вызовут обратный эффект и неожиданно заблокируют этот путь.

Новая работа помогает объяснить логику этих неудач и предлагает более реалистичный план повышения устойчивости сельскохозяйственных культур.

Прогресс команды начался с чего-то необычного. Мутация в одном из ферментов привела к тому, что растения выжили, но стали меньше по размеру. Это было интригующе, потому что этот метаболический путь имеет важное значение: крупные сбои должны быть смертельными.

Следуя по следам мутации, исследователи измерили промежуточные соединения на протяжении всего метаболического пути и обнаружили, что одно из соединений, находящихся на более позднем этапе, накапливается в необычно высоких концентрациях.

Затем они обнаружили неприятный нюанс: накопившееся соединение связывается с вышестоящим ферментом, блокируя его и замедляя весь метаболический путь.

Таким образом, замедление этого процесса происходит не только из-за повреждения ферментов стрессом. Оно также может замедляться само по себе из-за своего рода внутренней обратной связи — подобно производственной линии, где скопление веществ в конце приводит к застою всей системы на предыдущем участке.

Это открытие было непросто подтвердить экспериментально. Ключевые метаболиты присутствуют в крайне малых количествах, что затрудняет их точное обнаружение и измерение.

Для достижения прорыва потребовалось тщательное, поэтапное отслеживание соединений на протяжении всего метаболического пути.

«Существовали как концептуальные, так и экспериментальные трудности, — сказал Дехеш. — Концентрация метаболитов очень низкая, и даже для их идентификации требовалась тщательная, поэтапная работа».

Даже после того, как команда заподозрила блокирующее взаимодействие, им все равно нужно было это доказать. Это означало выделение уязвимых ферментов и воссоздание необходимых условий для их функционирования вне растения.

Белки могут быть капризными; они могут распадаться, вести себя по-разному или подавать противоречивые сигналы, когда их извлекают из естественной клеточной среды.

«Потребовалось много времени, чтобы заставить все компоненты работать вместе в надлежащих условиях», — сказала Миен ван де Вен, бывший руководитель лаборатории и научный руководитель, сыгравшая центральную роль в этой работе.

Исследователи отмечают, что аналогичные механизмы существуют и у бактерий, что позволяет предположить, что подобная стратегия «мгновенного торможения ферментов + более медленной адаптации» может быть более распространена в живых организмах, чем считалось ранее.

Это напоминание о том, что биология не всегда ждет, пока экспрессия генов догонит ситуацию – иногда она использует быстрые биохимические переключения, чтобы выжить в данный момент.

На практике полученные результаты могут помочь ученым в разработке сельскохозяйственных культур, которые лучше переносят засуху, жару, интенсивное освещение, засоление и другие экстремальные условия.

Главное не в том, чтобы «заставлять растения расти любой ценой». Важно более точно понимать компромисс между выживанием и ростом, чтобы можно было разумно его корректировать.

У растений уже есть встроенный механизм, позволяющий им приостанавливать свою активность при наступлении опасных условий. Теперь исследователи лучше понимают, как именно работает эта пауза.

Это первый шаг к тому, чтобы помочь сельскохозяйственным культурам быстрее восстанавливаться, терять меньше урожая и оставаться продуктивными в мире, где стресс становится нормой.