Огненные пейзажи Долины Смерти в Калифорнии, где летние температуры регулярно превышают 43 градуса Цельсия, кажутся непригодными для жизни. Тем не менее, посреди этого, казалось бы, враждебного колыбели процветает стойкое местное растение — Tidestromia oblongifolia. Этот неутомимый выживальщик дал ценные подсказки ученым из Мичиганского государственного университета (МГУ), раскрыв чертежи для создания культур, способных выдерживать усиливающийся зной в связи с меняющимся климатом.
Опубликованное в журнале Current Biology исследование профессора Сюнь Йон «Сю» Рэ и старшего научного сотрудника Карин Прадо раскрывает, как T. oblongifolia не только выживает, но и процветает в экстремальных условиях.
Исследователи изначально были озадачены стойкостью растения. «Когда мы впервые привезли эти семена в лабораторию, у нас возникли сложности даже с их прорастанием», — вспоминает Прадо. Однако, воссоздав непримиримую среду Долины Смерти в специализированных камерах роста Института устойчивости растений МГУ, они стали свидетелями удивительной метаморфозы: T. oblongifolia всего за 10 дней буквально утроил свою биомассу. В отличие от этого, родственные виды, известные своей жаростойкостью, под этими экстремальными условиями пришли в полный застой.
Уже через два дня после воздействия палящего зноя этот обитатель пустыни существенно повысил свой температурный предел эффективной фотосинтетической активности — диапазон температур, при котором он может эффективно производить энергию посредством фотосинтеза. Через две недели его оптимальная температура фотосинтеза достигла 45 градусов Цельсия (113 градусов по Фаренгейту), превысив показатель любого крупного вида сельскохозяйственных культур, когда-либо задокументированного. Эта поразительная жаростойкость выдвигает T. oblongifolia на первое место в книге рекордов как самое жароустойчивое растение, известное науке.
Секреты выживания: Симфония адаптаций
Глубоко изучая проблему, исследователи объединили физиологические измерения с передовыми методами визуализации и геномным анализом, чтобы расшифровать сложные механизмы, лежащие в основе удивительной адаптации T. oblongifolia. Они обнаружили скоординированную цепочку биологических изменений, происходящих на разных уровнях внутри растения.
Под действием сильного тепла его энергетические органеллы (митохондрии) стратегически перемещаются рядом с хлоропластами — местом фотосинтеза. Хлоропласты сами претерпевают драматические структурные изменения, трансформируясь в необычные «чашечкообразные» конфигурации, не наблюдаемые у других высших растений. Эта новая морфология может способствовать увеличению поглощения и циркуляции углекислого газа, эффективно стабилизируя производство энергии даже при экстремальном стрессе.
Одновременно тысячи генов в геноме растения активируются или «затухают» уже через 24 часа. Многие из этих генов играют решающую роль в защите белков, клеточных мембран и механизмов фотосинтеза от теплового повреждения. Особенно примечательно то, что T. oblongifolia значительно увеличивает производство Рубиско-активазы — ключевого фермента, жизненно важного для поддержания бесперебойной функции фотосинтеза при высоких температурах.
От пустыни до тарелки: Новые горизонты в селекции культур
По мере того как глобальные температуры неумолимо растут, волны жары наносят ощутимый ущерб урожайности основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, кукуруза и сои. Обеспечение все растущего мирового населения пищей зависит от укрепления продовольственного производства в условиях усиляющихся климатических вызовов.
«T. oblongifolia демонстрирует, что растения обладают поразительной способностью адаптироваться к экстремальным температурам, — подчеркивает Рэ. — Если мы сможем понять, как ей это удается, и воссоздать эти механизмы в наших культурах, мы могли бы революционизировать сельское хозяйство в мире с потеплением».
Рэ утверждает, что изучение экстремофилов, таких как T. oblongifolia, вместо того чтобы полагаться исключительно на традиционные модельные виды для исследований растений, открывает совершенно новые пути для укрепления устойчивости. «Растения пустыни на протяжении миллионов лет совершенствовали свои адаптации, чтобы преодолеть те же самые проблемы, с которыми мы сейчас сталкиваемся, — объясняет она. — У нас есть передовые инструменты — геномный анализ, высококачественная живая визуализация и системная биология — для раскрытия их секретов».
Что остается критически важным, так это устойчивое финансирование этого рода прорывных исследований. Лаборатория Рэ активно внедряет эти результаты в практические приложения, исследуя, как генетические свойства и клеточные структуры, позволяющие T. oblongifolia выдерживать жару, могут быть включены в основные сельскохозяйственные культуры, открывая путь к более устойчивому будущему для продовольственной безопасности всего мира.
«Это исследование выходит за рамки простой биологической любопытности, — утверждает Прадо. — Оно предоставляет нам карту для использования изобретательности природы, чтобы одарить растения — и в конечном счете человечество — способностью процветать в условиях изменяющегося климата».
