Ученые обнаружили ранее неизвестный механизм реакции растений на изменения окружающей среды: клетки корней могут переходить в особое функциональное состояние, активируя сотни генов, связанных с адаптацией к внешним условиям. При недостатке воды доля таких клеток значительно увеличивается. Открытие может помочь в разработке сельскохозяйственных культур, более устойчивых к засухе.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, провели специалисты Центра передового опыта Австралийского исследовательского совета по растениям для космоса и Школы молекулярных наук Университета Западной Австралии.

У каждого типа клеток есть два функциональных состояния

До сих пор корни растений рассматривались преимущественно как совокупность четко определенных типов клеток, каждый из которых проходит собственный путь развития от молодой клетки до зрелой. Однако анализ активности генов в сотнях тысяч отдельных клеток верхушек корней модельного растения Arabidopsis thaliana показал, что эта картина сложнее.

Исследователи обнаружили, что практически каждый тип клеток можно разделить на две группы. В одной активируется дополнительный набор из сотен генов, связанных с реакцией на условия окружающей среды, тогда как в другой эта генетическая программа остается неактивной.

«Мы ожидали, что у каждого типа клеток будет своя история, но обнаружили, что у каждого их две. Различие заключается в том, что одна группа активирует дополнительный набор генов, связанных с реакцией на окружающую среду», — пояснила одна из руководителей исследования доктор Марина Олива.

Таким образом, речь идет не об образовании новых типов клеток, а о существовании двух функциональных состояний внутри уже известных клеточных типов. Ученые назвали одно из них особым режимом реагирования на окружающую среду.

При нехватке воды таких клеток становится больше

Чтобы выяснить, как обнаруженный механизм зависит от внешних условий, исследователи сравнили растения, выращенные при разном уровне доступности воды. Оказалось, что при ее недостатке доля клеток, активирующих дополнительную генетическую программу, существенно увеличивается: примерно с 40% до 67%.

Важную роль в этом процессе играет абсцизовая кислота - растительный гормон, участвующий в координации реакций на засуху. У растений, которые не способны вырабатывать этот гормон или воспринимать его сигналы, клеток в состоянии экологического реагирования было значительно меньше.

По словам исследователей, изменение условий выращивания влияет не только на активность отдельных генов, но и на соотношение клеток, находящихся в разных функциональных состояниях. «Особенно примечательно, что при изменении условий выращивания корень реагировал, меняя количество клеток, которые включали эту дополнительную программу», — отметила Олива.

Почему механизм оставался незамеченным

Как объяснил другой руководитель исследования профессор Райан Листер, ранее применявшиеся методы анализа не позволяли выявить эту особенность, поскольку объединяли данные о тысячах клеток. При усреднении результатов различия между отдельными клетками могли оставаться незаметными.

Новый подход позволил исследовать активность генов на уровне отдельных клеток и обнаружить, что даже клетки одного типа могут по-разному реагировать на изменения окружающей среды. Это расширяет представления о том, как растения приспосабливаются к неблагоприятным условиям. В отличие от животных, они не могут переместиться в более подходящую среду, поэтому должны адаптировать свою физиологию к изменению доступности воды и питательных веществ.

«Это открытие позволяет предположить, что один из способов такой адаптации заключается в изменении соотношения двух состояний, которые могут принимать клетки, почти как при регулировке переключателя», — сказал Листер.

От сельского хозяйства до выращивания растений в космосе

Понимание механизмов реакции корней на нехватку воды и питательных веществ имеет значение для разработки сельскохозяйственных культур, способных переносить засуху. По мнению исследователей, дальнейшее изучение обнаруженного механизма может помочь выяснить, как растения регулируют свои реакции на стресс и какие процессы необходимо учитывать при создании более устойчивых сортов.

Результаты также могут оказаться полезными для выращивания растений в контролируемых условиях, в частности на вертикальных фермах и во время космических миссий, где необходимо точно управлять водоснабжением и другими параметрами среды.

При этом открытие пока не означает, что ученые уже нашли способ повысить засухоустойчивость сельскохозяйственных культур. Оно выявляет ранее неизвестный механизм клеточной адаптации, дальнейшее изучение которого может стать основой для разработки новых подходов к выращиванию растений в условиях ограниченных водных ресурсов.