Поскольку в рядах климатологов до сих пор нет единого мнения – будет ли на Земли слишком жарко или, напротив, слишком холодно, селекционеры сельхозкультур считают важным готовиться к разным сценариям. Кроме того, освоение северных территорий также диктует необходимость в морозостойких культурах нового поколения. Альпийские ландшафты Синьцзяна в Китае таят в себе множество ботанических чудес, среди которых кувшинка чисто-белая или белоснежная является одним из самых замечательных. Ее способность процветать среди суровых холодов помещает это растение на пьедестал для изучения феномена морозостойкости.
эксклюзив 🔹
Совместная исследовательская группа из Нанкинского сельскохозяйственного университета работает над созданием холодоустойчивых культур, которые по своим возможностям намного бы превосходили современные сорта.
Кувшинка чисто-белая (Nymphaea candida) процветает в высокогорных районах Синьцзяна, выступая в качестве идеальной модели для изучения механизмов адаптации к холоду. Используя комплексный мультиомный подход, ученые получили всесторонний анализ стратегий адаптации белой кувшинки к холоду, предлагая кладезь знаний для сельскохозяйственной науки.
Их исследование тщательно проливает свет на сложные механизмы адаптации к холоду белой кувшинки с помощью всеобъемлющего и интегрированного методологического подхода.
«Мы обнаружили, что кувшинка пребывает в состоянии эко-покоя зимой, сохраняя высокую клеточную жизнеспособность и потенциал роста. Во время зимовки она демонстрирует эффективное перераспределение ресурсов, процесс, которому способствуют морфологические изменения, тем самым усиливая ее устойчивость к холоду», пишут авторы работы.
Так, они подчеркивают, что кувшинка белоснежная демонстрирует уникальные морфологические характеристики, такие как асимметричное развитие боковых почек и отчетливое формирование корней у основания листа, что необычно для других клубневых растений. Центральным фактором их выживания зимой является жизнеспособность и прочность их корневищ.
Наблюдаемая горизонтальная модель роста подземных корневищ и развитие боковых почек в боковые побеги проводят параллели с некоторыми установленными ботаническими явлениями, наблюдаемыми у имбиря. Однако у кувшинки наблюдается расхождение в развитии боковых побегов, следуя асимметричной модели, в отличие от симметричного роста, обнаруженного у имбиря. По мере снижения температуры постепенное замедление роста листьев и последующий покой лежат в основе адаптивной стратегии перераспределения ресурсов. Сохраняя ресурсы и направляя их на повышение устойчивости к холоду, кувшинка чисто-белая олицетворяет эволюционный компромисс между ростом и выживанием.
«Наши ультраструктурные исследования клеток корневища кувшинок во время зимовки выявили динамическое взаимодействие субклеточных модификаций. Ключевым среди них является реструктуризация вакуолей, которая наряду с увеличенным внутриклеточным содержанием, по-видимому, является важнейшей адаптацией для предотвращения холодовых травм», — продолжают авторы.
Стратегия сокращения содержания клеточной воды, напоминающая реакции, наблюдаемые в листьях хлопчатника при холодовом стрессе, еще раз подтверждает универсальное принятие таких защитных механизмов среди видов растений. Кроме того, изменения в хлоропластах и митохондриях подчеркивают чувствительность этих органелл к холодовому стрессу, что согласуется с предыдущими открытиями для других растений.
«Наши результаты показывают, что белая кувшинка повышает свою устойчивость к холоду, регулируя метаболизм аминокислот. В частности, пролин становится центром исследований из-за его значительного накопления в неблагоприятных условиях, таких как холодовой стресс, производимый двумя биосинтетическими путями: один из глутамата, а другой из орнитина. В этом исследовании было показано, что повышение уровня пролина и его экзогенное применение повышают устойчивость к холоду у кувшинок белоснежных, что предполагает, что его накопление способствует повышению устойчивости и других растений к холоду», отмечают исследователи.
Глубокое изучение транскриптома, фитогормонов и метаболома позволило выявить регуляторную сеть, играющую центральную роль в кувшинки белоснежной адаптации к холоду, в которой решающую роль играют метаболизм азота и определенные пути аминокислот.
Выявление таких метаболитов, как мио-инозитол и L-пролин, как ключевых факторов, определяющих устойчивость растения к холоду, а также интригующее недостаточное использование ненасыщенных жирных кислот указывают на новые механизмы регуляции температуры.
Результаты исследования закладывают потенциал для новой эры холодоустойчивых культур. Используя адаптивные стратегии кувшинки чисто-белой, на горизонте появляются новые методы селекции и создание сортов растений, устойчивых к холодам. Поскольку изменение климата бросает тень на продовольственную безопасность, эти идеи могут стать маяком надежды для устойчивого сельского хозяйства, заключают авторы.
По статье группы авторов (Пэнхэ Цю, Тонг Лю, Инчунь Сюй, Чуньсю Йе, Ран Чжан, Яньцзе Ван, Цицзян Цзинь), опубликованной в журнале Horticulture Research.
На фото: (A) Морфологические особенности корневища белой кувшинки. LB1, LB2, LB3: боковые почки, обозначенные в порядке времени заложения. (B) Морфологические особенности листовой почки. R: кончик корня. (C , D) Расположение листовых и цветочных почек. L: листовая почка; F: цветочная почка. (E) Точка роста корневища. G: точка роста. Фото принадлежит группе указанных авторов.