Фермеры в Соединенных Штатах стали свидетелями рекордных экстремальных температур и засух в течение последних двух лет, что привело к росту цен на продукты питания, корма и волокна во всем мире. Действительно, многие климатологи предупреждают, что экстремальные погодные явления, вызванные изменением климата, являются новой нормой для фермеров в Северной Америке и других местах, требующей новых сельскохозяйственных стратегий для предотвращения потерь урожая.Теперь исследовательская группа под руководством Шона Катлера, биолога по клеткам растений из Калифорнийского университета в Риверсайде, обнаружила новое химическое вещество, защищающее от засухи, которое демонстрирует высокий потенциал для того, чтобы стать мощным средством защиты сельскохозяйственных культур в новом мире экстремальных погодных условий.
Исследователи назвали это химическое вещество «хинабактин», имитирующим естественный гормон стресса в растениях, который помогает растениям справляться с условиями засухи.Результаты исследования появятся в Интернете на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Все наземные растения имеют сложные системы определения воды и реагирования на засуху, которые настроены таким образом, чтобы максимизировать их приспособленность к окружающей среде, в которой они живут. Например, растения в среде с низким содержанием воды растут медленно, поэтому они не потребляют больше воды, чем доступно.«Но поскольку фермеры всегда хотели быстрорастущие сорта, их наиболее ценные сорта не всегда происходили от устойчивых к засухе предков», — пояснил Катлер, доцент биологии растительных клеток. «В результате сегодня у нас есть культуры, которые очень хорошо растут в годы обильного полива, но плохо в годы с небольшим количеством воды.
Эта дилемма породила активную охоту как за новыми засухоустойчивыми культурами, так и за химикатами, которые фермеры могут использовать для повышения урожайности. в неблагоприятных условиях ".Работая над арабидопсисом, модельным растением, широко используемым в лабораториях биологии растений, Катлер и его коллеги сосредоточили свои усилия на работе с одной из эндогенных систем растений, участвующих в реакции на засуху. Листья растений выстланы крошечными порами, называемыми устьицами, которые динамически открываются и закрываются, чтобы контролировать количество воды, теряемой в окружающую среду за счет испарения.
Чтобы растения могли усваивать углекислый газ из атмосферы, поры необходимо время от времени открывать, что приводит к потере воды.Во время засухи устьица плотно закрываются, чтобы ограничить потерю воды. Незаметно для глаз небольшой гормон, называемый абсцизовой кислотой (ABA), управляет открытием и закрытием пор.
Клетки по всему растению производят увеличивающееся количество АБК по мере снижения уровня воды. Затем ABA перемещается по растению, сигнализируя о стрессовых условиях и закрывая устьица. Внутри растительных клеток АБК выполняет свою работу, включая особый класс белков, называемых рецепторами.
Открытие в 2009 году рецепторов ABA той же командой, что и нынешний прорыв, было объявлено журналом Science одним из главных достижений 2009 года из-за его значимости для решения проблемы засухи.«Если вы можете контролировать рецепторы так, как это делает ABA, тогда у вас есть способ контролировать потерю воды и устойчивость к засухе», — сказал Катлер. «Уже много лет известно, что простое опрыскивание растений АБК улучшает их водопотребление и устойчивость к стрессу, но сама АБК слишком дорога для практического использования фермерами в поле».Чтобы решить эту проблему, Катлер и его команда исследовали многие тысячи молекул, чтобы найти недорогие синтетические химические вещества, которые могли бы активировать рецепторы, имитируя АБК.
Команда обнаружила и назвала хинабактин, молекула, которую они показывают, почти неотличима от АБК по своим эффектам, но гораздо проще химически и, следовательно, легче в изготовлении, чем АБК. Изучая, как новая молекула активирует рецепторы ABA, которые участвуют в устойчивости к засухе, команда также узнала больше о лежащей в основе логике управления системой стресс-реакции и предоставила новую информацию, которая может быть использована для других, заинтересованных в разработке подобных молекул.«Это конкурентная арена, в которой участвуют гиганты агрохимии, которые активно работают над выводом на рынок подобных защищающих от засухи молекул, поэтому это знаменательное открытие, потому что хинабактин является первой в своем классе синтетической молекулой», — сказал Катлер.
Работа, о которой сообщается на этой неделе, является первой в многоэтапном процессе вывода на рынок нового сельскохозяйственного продукта. Учитывая сложность и стоимость такого процесса, Управление коммерциализации технологий (OTC) UCR работает с лидером сельского хозяйства, Syngenta Biotechnology, Inc., над разработкой технологии.Джойс Патрона, специалист по лицензированию OTC, координирует усилия UCR по лицензированию хинабактина.«Для промышленности, занимающейся этой технологической областью, стала очевидна надежность исследований доктора Катлера», — сказала она. «Это заслуга доктора Катлера и его команды, а также UCR за их стремление вывести на рынок инновационные исследования».
Сотрудниками Катлера по исследовательскому проекту являются Брайан Волкман и Фрэнсис Петерсон из Медицинского колледжа Висконсина, которые помогли раскрыть механизм, с помощью которого хинабактин имитирует АБК, определив атомную структуру новой молекулы, связанной с одним из его клеточных рецепторов. С ними работали и Масанори Окамото (первый автор исследования), Эндрю Дефрис и Парк Санг-Юл из UCR; и Акира Эндо и Эйджи Намбара из Университета Торонто, Канада.