Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego odkryli dane genetyczne, które pomogą uprawom roślin spożywczych, takich jak pomidory i ryż, przetrwać dłuższe, bardziej intensywne okresy suszy na naszej ocieplającej się planecie.
W ciągu ostatniej dekady zespół badawczy starał się stworzyć molekularny atlas korzeni roślin uprawnych, w którym rośliny najpierw wykrywają skutki suszy i innych zagrożeń środowiskowych. W ten sposób odkryli geny, które naukowcy mogą wykorzystać do ochrony roślin przed tymi stresami. Ich praca, opublikowana 20 maja w czasopiśmie Komórka, osiągnęli wysoki stopień zrozumienia funkcji korzeni, ponieważ połączył dane genetyczne z różnych komórek korzeni pomidora hodowanych zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz.
„Często badacze przeprowadzają eksperymenty laboratoryjne i szklarniowe, ale rolnicy uprawiają różne rzeczy w polu, a te dane dotyczą również próbek polowych” – powiedziała Neelima Sinha, profesor biologii roślin na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis i współautorka artykułu. Dane dostarczyły informacji o genach, które każą roślinie wytwarzać trzy kluczowe rzeczy.
Ksylem to puste, przypominające rurę naczynia, które transportują wodę i składniki odżywcze od korzeni aż do pędów. Bez transportu w ksylemie roślina nie może wytwarzać własnego pożywienia poprzez fotosyntezę. „Ksylem jest bardzo ważny, aby wzmocnić rośliny przed suszą, solą i innymi stresami” – powiedziała główna autorka badania Siobhan Brady, profesor biologii roślin na UC Davis.
Z kolei bez transportu minerałów roślinnych w ksylemie ludzie i inne zwierzęta mieliby mniej witamin i składników odżywczych niezbędnych do naszego przetrwania. Oprócz kilku typowych graczy potrzebnych do wytworzenia ksylemu, znaleziono nowe i zaskakujące geny.
Drugim kluczowym zestawem genów są te, które kierują zewnętrzną warstwą korzenia do produkcji ligniny i suberyny. Suberin jest kluczową substancją w korku i grubą warstwą otacza komórki roślinne, zatrzymując się w wodzie podczas suszy. Uprawy takie jak pomidory i ryż zawierają suberynę w korzeniach. Owoce jabłoni mają suberynę otaczającą ich zewnętrzne komórki. Gdziekolwiek się pojawi, zapobiega utracie wody przez roślinę. Lignina również impregnuje komórki i zapewnia wsparcie mechaniczne.
„Suberin i lignina są naturalnymi formami ochrony przed suszą, a teraz, gdy zidentyfikowano geny, które je kodują w tej bardzo specyficznej warstwie komórek, związki te można wzmocnić” – powiedziała współautorka badania Julia Bailey-Serres z UC Profesor genetyki Riverside. „Jestem podekscytowany, że tak wiele dowiedzieliśmy się o genach regulujących tę warstwę bariery dla wilgoci. Jest to tak ważne, aby móc poprawić tolerancję upraw na suszę” – powiedziała.
Okazało się, że geny, które kodują merystem korzenia rośliny, są niezwykle podobne w przypadku pomidora, ryżu i Arabidopsis, rośliny modelowej podobnej do chwastu. Merystem to rosnąca końcówka każdego korzenia i jest źródłem wszystkich komórek tworzących korzeń.
„To region, z którego powstanie reszta korzenia i służy jako nisza komórek macierzystych” – powiedział Bailey-Serres. „To dyktuje właściwości samych korzeni, takie jak ich wielkość. Posiadanie wiedzy na ten temat może nam pomóc w opracowaniu lepszych systemów korzeniowych”.
Brady wyjaśnił, że gdy rolnicy są zainteresowani konkretną uprawą, wybierają rośliny, które mają cechy, które widzą, takie jak większe, bardziej atrakcyjne owoce. Znacznie trudniej jest hodowcom wybrać rośliny o właściwościach pod ziemią, których nie widzą.
„Ukryta połowa rośliny pod ziemią ma kluczowe znaczenie dla hodowców, aby rozważyć, czy chcą z powodzeniem hodować roślinę” – powiedział Brady. „Możliwość modyfikowania merystemu korzeni roślin pomoże nam w projektowaniu upraw o bardziej pożądanych właściwościach”.
Chociaż w badaniu przeanalizowano tylko trzy rośliny, zespół jest przekonany, że odkrycia można zastosować szerzej. „Pomidora i ryżu dzieli ponad 125 milionów lat ewolucji, ale wciąż widzimy podobieństwa między genami, które kontrolują kluczowe cechy” – powiedział Bailey-Serres. „Prawdopodobnie te podobieństwa są również prawdziwe w przypadku innych upraw”.