Как и любой другой организм, растения могут подвергаться стрессу. Обычно к этому стрессу приводят такие условия, как жара и засуха, и когда они испытывают стресс, растения могут не вырасти такими большими и не производить столько же. Это может стать проблемой для фермеров, поэтому многие ученые пытались генетически модифицировать растения, чтобы сделать их более устойчивыми.

Но растения, модифицированные для более высокой урожайности, как правило, имеют меньшую устойчивость к стрессу, поскольку они тратят больше энергии на рост, чем на защиту от стрессов. Аналогичным образом, улучшение способности растений переживать стресс часто приводит к тому, что растения производят меньше, потому что они тратят больше энергии на защиту, чем на рост. Эта загадка затрудняет улучшение растениеводства.

Я изучал, как растительный гормон этилен регулирует рост и реакцию растений на стресс. В исследовании, опубликованном в июле 2023 года, моя лаборатория сделала неожиданное и захватывающее наблюдение. Мы обнаружили, что когда семена прорастают в темноте, а они обычно находятся под землей, добавление этилена может увеличить как их рост, так и устойчивость к стрессу.

Этилен – растительный гормон.

Растения не могут передвигаться, поэтому они не могут избежать стрессовых условий окружающей среды, таких как жара и засуха. Они воспринимают различные сигналы из окружающей среды, такие как свет и температура, которые определяют, как они растут, развиваются и справляются со стрессовыми условиями. В рамках этой регуляции растения вырабатывают различные гормоны, являющиеся частью регуляторной сети, позволяющей им адаптироваться к условиям окружающей среды.

Этилен был впервые обнаружен как газообразный растительный гормон более 100 лет назад. С тех пор исследования показали, что все изученные наземные растения производят этилен. Помимо контроля роста и реакции на стресс, он также участвует в других процессах, таких как изменение цвета листьев осенью и стимулирование созревания фруктов.

Этилен как способ «заправить» растения

Моя лаборатория занимается изучением того, как растения и бактерии ощущают этилен и как он взаимодействует с другими гормональными путями, регулируя развитие растений. Проводя это исследование, моя группа сделала случайное открытие.

Мы проводили эксперимент, в ходе которого семена прорастали в темной комнате. Прорастание семян — критический период в жизни растения, когда при благоприятных условиях семя переходит из состояния покоя в проросток.

Для этого эксперимента мы подвергали семена воздействию газообразного этилена в течение нескольких дней, чтобы посмотреть, какой эффект это может иметь. Затем мы удалили этилен. Обычно на этом эксперимент и закончился бы. Но собрав данные об этих саженцах, мы пересадили их на легкую тележку. Обычно мы этого не делаем, но мы хотели вырастить растения до взрослого состояния, чтобы получить семена для будущих экспериментов.

Через несколько дней после помещения рассады на свет некоторые сотрудники лаборатории сделали неожиданное и поразительное наблюдение: растения, кратковременно отравленные этиленом, стали намного крупнее. У них были более крупные листья, а также более длинная и сложная корневая система, чем у растений, не подвергавшихся воздействию этилена. Эти растения продолжали расти более быстрыми темпами на протяжении всей своей жизни.

Мы с коллегами хотели знать, проявляют ли различные виды растений стимуляцию роста при воздействии этилена во время прорастания семян. Мы обнаружили, что ответ — да. Мы проверили влияние кратковременной обработки этиленом на прорастающие семена томатов, огурцов, пшеницы и рукколы — все они выросли в размерах.

Но что сделало это наблюдение необычным и захватывающим, так это то, что кратковременная обработка этиленом также повысила устойчивость к различным стрессам, таким как солевой стресс, высокая температура и низкий уровень кислорода.

Долгосрочное воздействие на рост и стрессоустойчивость от кратковременного воздействия раздражителя часто называют эффектом прайминга. Вы можете думать об этом как о заливке насоса, когда заливка помогает запустить насос проще и быстрее. Исследования изучали, как растения растут после грунтования в разном возрасте и на разных стадиях развития. Но затравка семян различными химикатами и стрессами, вероятно, является наиболее изученной, поскольку ее легко осуществить, и в случае успеха ее могут использовать фермеры.

Как это работает?

Со времени того первого эксперимента моя лабораторная группа пыталась выяснить, какие механизмы позволяют этим растениям, подвергшимся воздействию этилена, расти больше и переносить больший стресс. Мы нашли несколько возможных объяснений.

Во-первых, прайминг этилена увеличивает фотосинтез, который используют заводы для производства сахаров из света. Часть фотосинтеза включает в себя так называемую фиксацию углерода, когда растения поглощают CO.₂ из атмосферы и использовать CO₂ молекулы как строительные блоки для производства сахаров.

Моя лабораторная группа показала, что происходит значительное увеличение фиксации углерода, а это означает, что растения поглощают гораздо больше CO.₂ из атмосферы.

С усилением фотосинтеза коррелирует значительное увеличение уровня углеводов во всем растении. Это включает в себя значительное увеличение содержания крахмала, который является молекулой, запасающей энергию в растениях, и двух сахаров, сахарозы и глюкозы, которые обеспечивают растения быстрой энергией.

Большее количество этих молекул в растении связано как с ускорением роста, так и с лучшей способностью растений противостоять стрессовым условиям.

Наше исследование показывает, что условия окружающей среды во время прорастания могут оказывать глубокое и долгосрочное воздействие на растения, что может одновременно увеличить как их размер, так и их устойчивость к стрессу. Понимание механизмов этого важно как никогда и может помочь улучшить производство сельскохозяйственных культур, чтобы прокормить население мира.

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.