07/04/2025
0Воскресающие растения, такие как Selaginella lepidophylla, могут пережить месяцы засухи (Фото: Alamy)
Чтобы защитить урожай от усиливающихся засух, ученые изучают гены небольшой группы растений, которые могут выживать в условиях засухи в течение месяцев, а затем восстанавливаться в течение нескольких часов.
Еще ребенком, выросшим в Южной Африке в 1970-х годах, Джилл Фаррант впервые заметила вокруг себя несколько растений, которые, по-видимому, возвращались из мертвых.
Эти растения, как она узнала позже, могут выживать без воды шесть месяцев и более. Их листья становятся коричневыми и ломкими на ощупь, но при попадании воды они снова зеленеют в течение нескольких часов. В течение дня они возвращаются к своему прежнему состоянию и могут продолжать фотосинтез.
Такая способность, подобная способности Лазаря, распространена среди мхов, папоротников и других нецветущих растений, но эти «воскресающие растения» принадлежали к покрытосеменным или цветковым, от есть к группе, которая включает в себя каждое цветущее дерево и плодоносящую, несущую семена культуру. Однако из 352 000 известных видов цветковых растений только 240 являются растениями воскрешения . Разбросанные по этой ветви древа жизни, они часто не связаны между собой, каждое из них независимо развило способность жить без воды. В основном они встречаются на каменистых склонах или щебнистых почвах Южной Африки, Австралии и Южной Америки , тактика, используемая для этого зомбиподобного трюка, удивительно похожа — почти как если бы из глубины их ДНК можно было извлечь предковый набор инструментов для решения проблемы засухи.
Фаррант, ныне профессор по устойчивости к засухе в Университете Кейптауна, изучает эти необычные растения уже более трех десятилетий . Вместе с несколькими другими исследователями она считает, что засухоустойчивость, заложенная в их генах, может стать ключом к адаптации сельского хозяйства к будущему изменения климата.
Для растений, которые могут выживать без воды в течение нескольких месяцев, это может показаться научной фантастикой. Подавляющее большинство растений действительно погибают, когда испытывают потерю воды в размере 10-30%. Но воскрешающие растения способны переносить потерю воды более чем на 95% .
Но для этих видов важна не только способность выживать в условиях засухи, говорит Карлос Мессина, ученый-кукуруза из Университета Флориды. Не менее важно то, как воскресающие растения восстанавливаются после засухи.
Кукурузные растения также могут выживать после засухи, говорит она, «но когда они регидратируются, они не возвращаются к той же структуре листьев, которая была у них раньше, и поток CO2 и воды полностью нарушается». Таким образом, засуха ставит под угрозу их рост еще долгое время после того, как возобновились дожди.
Но воскрешающие растения «похоже, возвращаются к той форме, которая была у них до засухи», — говорит она. «Если мы сможем создать кукурузу, которая делает это, это будет фантастикой, потому что мы сможем восстановить ей начальную производительность».
Воскресающие растения развили этот важный навык, заменив исчезающую воду сахарами, такими как сахароза , превратив внутреннюю часть своих клеток в вязкую, стеклообразную субстанцию, которая замедляет любые химические реакции. Известная как витрификация, та же тактика используется животными, устойчивыми к высыханию, такими как тихоходки (также известные как водяные медведи) и яйца креветок артемии (морские обезьяны).
По мере того, как они превращаются в стекло, эти растения также разрушают свои фотосинтетические механизмы (например, хлоропласты), отключая свой основной источник питания, поскольку они переходят в состояние покоя. Чтобы удерживать вместе свою сборку белков и клеточных мембран, они выделяют набор защитных белков, известных как « шапероны », поскольку они направляют клетку через опасные времена.
«То, как им удается сохранять свои ткани, — это настоящее чудо», — говорит Фаррант.
В некотором смысле, способности воскрешающих растений не так уж и отличаются от семян большинства цветковых растений. При сушке и хранении в темном и холодном месте многие семена могут сохраняться годами, иногда тысячелетиями , сохраняя рецепт того, как создать новое растение, когда вернутся тепло и вода.
Хайп-метр
Удивительная способность воскрешающих растений выживать без воды в течение нескольких месяцев имеет очевидную привлекательность в мире, где растет опустынивание и все более неустойчивая засуха. Если бы эти же черты можно было использовать в сельскохозяйственных культурах, это могло бы помочь поддерживать производство продовольствия в районах, которые высыхают. Но изменение геномов организмов остается спорным в останках во многих регионах мира. Это также ранние дни для этого исследования, хотя было показано, что гены воскрешающих растений улучшают устойчивость к засухе у некоторых продовольственных культур.
Но как только появляется первый зеленый росток, эта «устойчивость к высыханию» теряется, обмениваясь на более быстрый рост, высокую урожайность и более питательные фрукты или семена. Это черта, которую усугубила зеленая революция , сельскохозяйственный бум 20-го века, который отбирал и генерировал высокоурожайные сорта культур, выращиваемых в оптимальных условиях воды, почвы и солнца .
Между тем, хотя засухи всегда были проблемой для фермеров, рост глобальной температуры из-за продолжающихся выбросов парниковых газов делает их намного хуже, особенно в Средиземноморье и на западе Северной Америки. В 2023 году засуха, лесные пожары и жара, по оценкам, обошлись в 16,6 млрд долларов (12,9 млн фунтов стерлингов) потерь урожая только в США. Согласно некоторым климатическим моделям , к 2100 году большая часть сельскохозяйственных земель в странах Африки к югу от Сахары и Южной Америке будет непригодна для производства продовольствия, большая часть станет бесплодной из-за засухи.
«Сельское хозяйство будет возможно только в Канаде и Сибири», — говорит Хенк Хилхорст, пенсионер-семеновод, работающий в Нидерландах. Именно эти северные регионы планеты , а не тропики, должны будут кормить мир.
Ситуация настолько серьезна, утверждает Фаррант, что теперь приходится рассматривать даже самые радикальные изменения в сельском хозяйстве. «Мы просто не будем получать достаточно еды», — говорит она. «Поэтому нам придется стать невероятно изобретательными».
Наиболее распространенные сельскохозяйственные культуры, такие как пшеница, кукуруза и соя, уже стали более устойчивыми к нехватке воды путем селективного разведения. Выбор растений с большей глубиной корней помогает им находить более глубокие запасы воды, например, или выбор тех, которые цветут быстрее, помогает производить семена за более короткий вегетационный период.
Но экстремальные погодные явления не просто становятся более частыми, они становятся более непредсказуемыми . Хаос — это маркер изменения климата, говорит Тимоти Джордж, почвовед из Института Джеймса Хаттона в Шотландии. «Просто стало гораздо больше изменчивости». Периоды отсутствия воды, возникающие из ниоткуда — известные как внезапные засухи — становятся более распространенными, как и засухи, которые случаются в месяцы года, когда гарантированно идут дожди и мягкие условия.
Это означает, что предотвращение засухи может перестать быть возможным. Вот почему Фаррант и другие ученые исследуют, смогут ли они найти способ воссоздать замечательную устойчивость воскрешающих растений к высыханию в обычных продовольственных культурах.
Долгое время считалось, что для внедрения таких талантов в рис, кукурузу и пшеницу требуется использование «трансгенной» генетической модификации — введение в их геном ДНК от дальних родственников в растительном мире. Гены, отвечающие за устойчивость к высыханию, будут изолированы и внедрены в культуры, чувствительные к засухе, — задача, которая упростилась с недавним ростом технологий редактирования генов Crispr .
Недавние исследования Фарранта показывают, что многие из генов, используемых для выживания при высыхании, те же самые, что и в семенах большинства цветковых растений. Таким образом, для создания засухоустойчивых культур, возможно, вообще не потребуются новые гены; активируя тот же генетический набор инструментов, что и в их семенах, зрелое растение может стать более устойчивым к высыханию. Поскольку это будет включать активацию генов, которые просто были заглушены при прорастании, а не вставку чужеродных генов из других растений, это может быть не таким спорным, как некоторые другие генетически модифицированные культуры .
Джулия Буитинк, биолог-семянщик из Французского национального института сельскохозяйственных исследований в Париже, соглашается, что это осуществимый подход, даже если эффект будет ограничен молодыми саженцами. По ее словам, саженцы могут быть более легкой целью, в первую очередь потому, что эта стадия роста следует за прорастанием, и расширение толерантности к высыханию было бы наиболее логичным первым шагом. Кроме того, поскольку большинство организмов, устойчивых к высыханию, имеют небольшие размеры, эти саженцы соответствовали бы форме, уже существующей в природе.
Вымершее дерево времен Иисуса восстало из мертвых
Тем не менее, хотя эти методы осуществимы в любой лаборатории мира, в наших знаниях остаются огромные пробелы, когда речь идет о том, как эти растения переживают высыхание, особенно когда речь идет о том, как контролируется каждая адаптация. «Я думаю, мы знаем основные гены », — говорит Буитинк. «Проблема заключается в более высоком уровне — как мы можем включить их, когда наступает засуха? И мы действительно не так много знаем об этом».
Генетические переключатели, которые были идентифицированы , добавляет Буитинк, часто не являются специфическими для чего-то одного: включите устойчивость к высыханию, говорит она, и вы почти наверняка измените многие другие части растения – и, что самое важное, можете снизить его урожайность. «Что, для сельскохозяйственных культур, как раз то, чего вы не хотите».
Но если можно найти «главный выключатель» — ген, отвечающий за толерантность к высыханию, — его можно будет включить только тогда, когда нехватка воды станет проблемой, гарантируя, что урожайность этих культур не пострадает, если условия будут благоприятствовать росту. Так же, как воскрешающее растение только сморщивается в складки коричневых листьев в течение долгого сухого сезона, сельскохозяйственное растение может задраить люки только тогда, когда внезапная засуха нагрянет как гром среди ясного неба.
Именно этого добились исследователи из Кении и Швеции в 2018 году, когда они ввели один ген из Xerophyta viscosa — воскрешающего растения, также известного как маленькая черная лилия — в сорт батата. Известный своей важностью в антиоксидантной защите, ген, известный как XvAld1 , сделал эти трансгенные растения картофеля более устойчивыми к 12-дневному эксперименту по обезвоживанию. По сравнению со своими соседями дикого типа они оставались зеленее дольше, теряли меньше листьев и вырастали выше даже при отсутствии воды. Важно то, что они были неотличимы до начала эксперимента по обезвоживанию, что говорит о том, что ген не оказывал влияния на рост или структуру листьев.
Гены воскрешающих растений, как было показано, улучшают устойчивость к засухе и у других растений, включая любимую в лабораториях Arabidopsis thaliana и растения табака . Тем не менее, поскольку генетически модифицированные культуры любого вида по-прежнему должны соответствовать строгим правовым контрольным спискам ( особенно в ЕС ), Фаррант начал искать другие способы привить эти замечательные черты воскрешающих растений культурам, выращиваемым сегодня.
Так же, как микробиом является горячей темой в области здоровья человека, корневой микробиом (или ризосфера ) набирает интерес в сельскохозяйственной науке . Засухоустойчивость может быть не только в листьях и стеблях, но и в корнях. «Вот где может быть [потенциал] для таких групп, как воскрешающие растения или других экстремальных видов», — говорит Джордж. «Если в их способности справляться с экстремальным стрессом есть элемент микробиома, то вы могли бы перенести это в систему земледелия гораздо легче, чем, скажем, генетические компоненты».
И это именно то, что Фаррант пытается сделать. Вместе со своими коллегами Шандри Тебеле и Роуз Маркс она начала составлять карту микробиома Myrothamnus flabellifolia, вида, который уникален даже среди воскрешающих растений. Растущий на гравийной почве в Южной Африке, он может вырасти до высоты талии и больше похож на куст, чем на одинокий участок травы. Даже при такой сложности и размере он может выживать без воды в течение девяти месяцев и более .
Первое исследование ризосферы M. flabellifolia , опубликованное в 2024 году , выявило более 900 уникальных бактериальных и грибковых групп, что может стать началом создания засухоустойчивого пробиотика, который можно будет использовать для других растений.
Однако над землей работа Фарранта над теффом может оказаться наиболее многообещающей. Тефф, натуральный безглютеновый злак, выращивается в Эфиопии уже тысячи лет. Его устойчивость к нехватке воды давно привела к тому, что его восхваляют как потенциально более устойчивую и устойчивую к климату культуру, но Фаррант интересуется этим видом по несколько иным причинам. Тефф — единственная культура, у которой есть воскрешающее растение в качестве близкого родственника: Eragrostis nindensis, трава высотой по пояс, которая растет на каменистых склонах по всей южной части Африки. Изучение того, как эти растения различаются в своей реакции на засуху, может показать, какие гены были утеряны или отключены, и можно ли их снова вставить в тефф, генетическую модификацию, которая с большей вероятностью будет успешной, учитывая их близкое родство .
Это работа пока в зачаточном состоянии. Но уже сейчас кажется, что защита от солнечного света является одним из главных различий между ними . E. nindensi производит антиоксиданты внутри своих листьев и покрытие антоцианами — по сути, растительной версией солнцезащитного крема — на своих внешних поверхностях. У теффа такой способности нет. Для E. nindensi это тонкий баланс : солнечный свет необходим для роста наполненного водой растения, но во время засухи он может быть смертельным, приводя к неконтролируемому фотосинтезу, образованию активных форм кислорода и повреждению от УФ-излучения. Однако для теффа наличие этой возможности может позволить ему пережить самую суровую засуху и вырасти еще на один день.
Так что крошечные семена теффа, перемолотые для получения муки для хлеба и блинов, могут как раз содержать ключ к более устойчивому сельскому хозяйству. Так же, как кукуруза, рис и пшеница были выведены для более высокой урожайности за счет устойчивости в Зеленой революции 20-го века, такие культуры добавят устойчивости, даже если за счет немного более низкой урожайности. «Они могут иметь низкую урожайность, но у фермера, живущего натуральным хозяйством, есть урожай», — Фаррант. «Это независимо от того, будет ли дождь через 10 дней или через два года».
* Алекс Райли — научный писатель и автор книги «Super Natural: How Life Thrives in Impossible Places» . Вы можете подписаться на него в Instagram .
