Посевы и другие растения постоянно сталкиваются с неблагоприятными экологическими условиями, такими как повышение температуры (2014 год был самым теплым годом за всю историю наблюдений) и сокращение запасов пресной воды, что снижает урожайность и обходится фермерам в миллиарды долларов ежегодно.Засуха — главный экологический стрессовый фактор, влияющий на рост и развитие растений.
Когда растения сталкиваются с засухой, они естественным образом вырабатывают абсцизовую кислоту (АБК), гормон стресса, который тормозит рост растений и снижает потребление воды. В частности, гормон включает рецептор (специальный белок) в растениях, когда он связывается с рецептором, как рука, вставленная в перчатку, что приводит к полезным изменениям, таким как закрытие замыкающих клеток на листьях, называемых устьицами, для уменьшения количества воды. потеря — это помогает растениям выжить.
Хотя верно, что посевы можно опрыскивать АБК, чтобы помочь им выжить во время засухи, АБК дорого обходится, быстро инактивируется внутри клеток растений и светочувствительна, и поэтому не нашла прямого прямого применения в сельском хозяйстве. Несколько исследовательских групп работают над разработкой синтетических имитаторов ABA для регулирования устойчивости к засухе, но, как ожидается, после обнаружения этих имитаторов их разработка столкнется с длительными и дорогостоящими процессами.Однако агрохимический препарат мандипропамид уже широко используется в сельскохозяйственном производстве для борьбы с фитофторозом плодовых и овощных культур. Можно ли сконструировать культуры, которым угрожает засуха, так, чтобы они реагировали на мандипропамид, как если бы это был АБК, и, таким образом, увеличивали их выживаемость во время засухи?
Да, по мнению группы ученых под руководством Шона Катлера из Калифорнийского университета в Риверсайде.
Исследователи работали с арабидопсисом, модельным растением, широко используемым в лабораториях биологии растений, и томатом. В лаборатории они использовали синтетические биологические методы для разработки новой версии рецепторов абсцизовой кислоты этих растений, сконструированной для активации мандипропамидом вместо АБК.
Исследователи показали, что когда перепрограммированные растения опрыскивали мандипропамидом, растения эффективно выживали в условиях засухи, включив путь абсцизовой кислоты, который закрыл устьица на их листьях, чтобы предотвратить потерю воды.Это открытие демонстрирует силу синтетических биологических подходов к манипулированию посевами и открывает новые возможности для улучшения сельскохозяйственных культур, которые могут принести пользу растущему населению мира.«Мы успешно перепрофилировали агрохимикат для нового применения путем генной инженерии рецептора растений — чего еще не делали», — сказал Катлер, доцент ботаники и наук о растениях. «Мы ожидаем, что эта стратегия перепрограммирования реакций растений с использованием синтетической биологии позволит другим агрохимикатам контролировать другие полезные свойства, например, устойчивость к болезням или скорость роста».
Результаты исследования появятся в Интернете 4 февраля в журнале Nature.Катлер объяснил, что открытие нового химического вещества, а затем его оценка и одобрение для использования — чрезвычайно сложный и дорогостоящий процесс, который может занять годы.«Мы, по сути, обошли это препятствие с помощью синтетической биологии — по сути, мы взяли то, что уже работает в реальном мире, и перепрограммировали растение, чтобы химическое вещество могло контролировать использование воды», — сказал он.Белковая инженерия — это метод, который позволяет систематически конструировать множество вариантов белка; он также проверяет их на наличие новых свойств.
Катлер и его сотрудники использовали белковую инженерию для создания модифицированных рецепторов растений, в которые мог бы вписаться мандипропамид и мог бы вызвать активацию рецепторов. Сконструированный рецептор был введен в растения арабидопсиса и томатов, которые затем отреагировали на мандипропамид, как если бы их лечили АБК.
В отсутствие мандипропамида эти растения показали минимальное отличие от растений, которые не обладали сконструированным белком.