Биотехнология и освоение новых земель: путь к повышению солеустойчивости растений

Сельскохозяйственные культуры, как правило, не устойчивы к концентрациям соли, составляющим порядка одной трети концентрации солей в морской воде. Большая часть воды на Земле содержит соль NaCl в концентрации около 30 грамм на литр, и растения сельскохозяйственных культур не могут расти, если для их полива использовать такую воду. Даже если такие растения растут на засоленных почвах, они приносят меньший урожай. На помощь здесь может прийти биотехнология: известно, что ризосферные микроорганизмы могут влиять на устойчивость растения к различным неблагоприятным фактором, а внося изменения в геном можно получить растения с новыми свойствами. К сожалению, получить устойчивые сорта путём скрещивания почти невозможно: устойчивость к засолению имеет очень сложную природу и обусловлена рядом механизмов, в реализации которых задействованы разнообразные гены. Только у отдельных видов удалось выявить наследование солеустойчивости по Менделю. Это же препятствие встаёт и на пути генной инженерии, однако при контроле за изменениями, проводимыми подобным путём, всё-таки, выше, и преодолеть затруднения, связанные со сложным механизмом наследования можно данным путём.

Оценка устойчивости сельскохозяйственных растений должна быть максимально полной, прежде чем использовать их для получения зерна. Известно, например, что рост риса гораздо менее страдает от солёности, чем урожай, а конечной целью работы в данном направлении является именно урожайность, а не просто устойчивость растения. Важно, чтобы именно урожай был защищён от воздействия солёности. Растения, в экспериментальных условиях оказавшиеся устойчивыми, не обязательно будут столь же урожайны в поле. Исследования резистентности на клетках в культуре тем более нельзя экстраполировать на растения в полевых условиях. Ещё одна проблема заключается в том, что в ряде случаев полученные растения, устойчивые к повышенной солёности, хуже растут и приносят меньший урожай в нормальных условиях.

Аккумулирование Na⁺  в вакуолях, синтез осмолитиков, защита от активных форм, выведение ионов из клеток и осмотическая устойчивость – вот основные механизмы, защищающие растение при повышении концентрации соли. Разные механизмы резистентности эффективны в различных условиях, например, при высокой солёности важны способность к выведению натрия, а при умеренной – осмотическая устойчивость. Для галофильных растений, которые от природы устойчивы к солёности характерно накопление натрия и в вакуолях клеток листа, но, к сожалению, пока применение генов устойчивых к засолению диких растений для получения новых вариантов культурных растений не оказалось эффективным. Есть и ещё один важный фактор, влияющий на устойчивость растения к повышенной солёности, это наличие симбионтов, эндомикоризных грибов, обитающих внутри клеток растения, грибов эктромикоризы, оплетающих корни и ассоциированных с корнями ризобактерий. Микробиота оказывает комплексное воздействие на растение, она синтезирует молекулы, защищающие от стресса, регулирует поглощение ионов из окружающей среды, воздействует на синтез гормонов. Рассмотрим, как можно использовать возможности генной инженерии и поддержку симбионтов в обеспечении устойчивости к засолению.

Повышение устойчивости корня за счёт увеличения способности к накоплению Na⁺ в вакуолях повышает резистентность растения в целом. Транспортёры Na⁺ , выводящие его из клетки, вообще очищают клетку от токсичных ионов, что более надёжно, чем их накопление в отдельном копартменте. Трансформация, усиливающая экспрессию генов транспортёров может помочь, но важно, чтобы они экспрессировались в нужное время и в нужном мете. Микориза тоже может влиять на экспрессию и работу транспортёров, защищая корень от поступления токсичных ионов, также она создаёт вокруг корня особую среду за счёт выделяемых веществ. Кроме того, ризосферные бактерии снижают осмотический стресс, поддерживая выведение ионов через устьица и фотосинтез. Селективное поглощение микоризой Cl⁻ (но не Na⁺ ) может облегчить стресс, испытываемый растением. Транспортёры калия с высоким сродством (HKT) и компоненты пути сверхчувствительности к соли (SOS), системы, функционирующие в растительном организме, которые регулируют транспорт натрия. Их также рассматривают как белки, повышение концентрации которых генноинженерным путём помогло бы сделать растение более устойчивым. Соединения, выделяемее бактериями ризосферы, могут снижать экспрессию транспортёров HKT1 в корне и активировать её в побеге, снижая поступление натрия в организм растения и облегчая его выведение в надземной части. Экзополисахариды бактерий могут связывать ионы натрия, предотвращая их перенос в листья. В солёной почве возможность растения получать и сохранять воду ограничена. Эндосимбиотические грибы могут влиять на присутствие аквапоринов, белков мембраны, участвующих в поступлении и выведении воды.

Такие растворимые вещества как трегалоза защищают аппарат синтеза белка и снижают повреждение клеток активными формами кислорода. Рис, трансформированный таким образом, что гены, продукты которых задействованы в синтезе трегалозы, лучше растёт при повышенных концентрациях соли, при этом в его тканях меньше накапливается натрий. Однако, трегалоза может быть токсичной для растений, при повышении её концентрации в тканях может замедляться рост и нарушаться морфология растения, поэтому, для полноценной защиты растения необходимо, чтобы синтез трегалозы активировался только когда это действительно нужно, а это, в свою очередь, зависит от структуры промотора, который будет находиться перед геном при трансформации. Трегалоза, синтезируемая ризобактериями, тоже может защищать растение от осмотического стресса. Грибы эндомикоризы способны к синтезу трегалозы, однако интенсивность этого процесса у них не меняется в ответ на повышение солёности почвы, поэтому нельзя утверждать, что он может способствовать защите растения. Повышение содержания низкомолекулярных сахаров может быть также следствием гидролиза крахмала, не востребованного в корнях и других нефотосинтезирующих частях растения из-за остановки роста. С другой стороны, при ответе на стресс происходит активация метаболизма – ведь для защиты требуется энергия. Так, под влиянием метаболической перестройки и реакции микробиоты происходит повышение концентрации растворимых сахаров, растворимых белков и органических кислот в листьях, а содержание муравьиной и янтарной кислоты снижается. Не известно, поступает ли пролин, синтезируемый микроорганизмами при засолении в растения или также синтезируется в них заново, но его содержание в тканях растения также повышается и он участвует в защите фотосинтетического аппарата.

Можно применять микроорганизмы и как регуляторы гормонального статуса растения. Использование бактерий, продуцирующих цитокинины (гормоны растений, которые регулируют деление клеток, морфогенез побега и корня, созревание хлоропластов, линейный рост клетки, образование добавочных почек и старение) повышает урожай сельскохозяйственных культур на засоленных почвах. Такие бактерии могут помочь получить урожай и в неблагоприятных условиях, связанных, например, с недостаточной влажностью. При стрессе, связанном с воздействием соли, активируется синтез этилена, который подавляет рост растений в ответ на стресс, однако ризосферые бактерии, разрушающие этот гормон растений, могут снижать его эффект.

Принимая во внимание сложность механизмов устойчивости к повышенным концентрациям солей, можно предположить, что следует воздействовать на пути регуляции всех этих систем для улучшения устойчивости культуры, например на путь, задействованный в ответе на активные формы кислорода. Он, в частности, контролирует накопление натрия в корнях. Активация кальциевых сигнальных путей улучшает рост растений в условиях повышенной солёности. Экспрессия генов в трансгенном растении должна быть тканеспецифична, то есть гены должны встраиваться в геном под соответствующими промоторами. Для правильной работы сигнальных систем важно не только наличие определённых белков, но и их посттранскрипционные модификации. Путь до какого-либо первого решения этих проблем ещё далёк. Однако, надо понимать, как это важно, в условиях растущего населения Земли, которое становится всё сложнее прокормить.