Индийские ученые обобщили данные многолетних исследований и разработали концепцию для выведения сельскохозяйственных культур, устойчивых к затоплению. Необходимость в таких сортах резко возросла из-за изменений климата, которые приводят к аномальным осадкам и длительным паводкам в ключевых зерновых регионах мира. Потери урожая от переувлажнения почвы уже стали серьезной проблемой для производителей риса, пшеницы, кукурузы и бобовых.
В своей работе, опубликованной в журнале Plant Cell Reports, исследователи из Международного университета Нойды подчеркивают, что растения при затоплении погибают не от избытка воды, а от удушья. В переувлажненной почве кислород может закончиться за несколько часов, из-за чего корни лишаются возможности дышать и производить энергию. Одновременно меняется химический состав почвы: в ней накапливаются токсичные для растений соединения железа, сульфиды и органические кислоты. Сочетание энергетического голода и химического отравления приводит к гибели урожая даже после кратковременных паводков.
Растения выработали сложную систему реагирования на угрозу. Ключевую роль в ней играет газообразный гормон этилен. В обычных условиях он улетучивается, но в затопленных тканях газ накапливается и служит внутренним сигналом тревоги. В ответ на него растение запускает защитные механизмы: формирует в корнях и стеблях воздухоносную ткань (эренхиму), которая работает как внутренний канал для доставки кислорода от листьев, а также стимулирует рост новых корней от стебля и удлинение побегов, чтобы они могли быстрее достичь поверхности воды.
За распознавание нехватки кислорода на молекулярном уровне отвечают специальные белки-регуляторы (ERF-VII). При нормальном доступе кислорода клетки их постоянно разрушают. Когда кислород падает, эти белки стабилизируются, проникают в ядро клетки и активируют гены, отвечающие за выживание в анаэробных условиях. Наиболее яркий пример – ген SUB1A у риса. Он помогает растению пережить внезапные паводки, переводя его в «спящий режим»: рост замедляется, а энергия расходуется экономно до тех пор, пока вода не сойдет.
Исследователи выделяют две основные стратегии выживания. Первая – «переждать», или режим покоя, который эффективен при коротких, но глубоких затоплениях. Вторая – «избежать», или стратегия побега, когда растение активно вытягивает стебли и листья к поверхности. Она подходит для длительных, но неглубоких разливов. Выбор неверной стратегии может привести к гибели растения, поскольку ресурсы, потраченные на рост, окажутся исчерпанными, если вода не отступит.
Эти выводы имеют прямое практическое применение. Ген SUB1 уже успешно внедрен в популярные сорта риса в Азии, что защищает миллионы гектаров посевов. Однако этот ген не универсален и в некоторых условиях может даже навредить. Будущее селекции, по мнению авторов, за «пирамидингом» – объединением в одном сорте нескольких генов, отвечающих за разные защитные механизмы. Это позволит создать растения, способные адаптироваться к различным типам наводнений. Кроме того, ученые изучают агротехнические приемы, такие как обработка семян селеном и применение наноматериалов для доставки в растения оксида азота, который также повышает их устойчивость.