Американские ученые выяснили, что кремний не просто укрепляет ткани риса, а управляет сложной генетической программой, которая позволяет растению одновременно защищаться от вредителей и направлять ресурсы на рост. Исследование, опубликованное в журнале Plant and Soil, объясняет, как этот элемент помогает бороться с одним из самых разрушительных насекомых – осенней совкой (Spodoptera frugiperda).
Исследователи из университетов Луизианы и Орегона совместно с Минсельхозом США отказались от стандартного метода с внесением удобрений. Вместо этого они работали с мутантными линиями риса, которые от природы по-разному усваивают кремний из почвы. Сравнивая растения с нормальным, средним и почти нулевым накоплением элемента, ученые смогли изолировать чистое влияние кремния на культуру.
Результаты показали прямую связь между содержанием кремния и устойчивостью риса. Растения, богатые кремнием, наращивали значительно большую биомассу и меньше страдали от гусениц. Спустя две недели после атаки вредителя они полностью восстанавливались до размеров контрольных образцов. В то же время растения с дефицитом кремния практически не смогли оправиться от повреждений. Гусеницы, которые питались такими ослабленными листьями, росли быстрее и набирали больший вес.
Анализ показал, что кремний действует в первую очередь как физический барьер – он не отравляет насекомых, а делает листья более жесткими и менее съедобными. При этом, вопреки ожиданиям, элемент не влиял на выработку классических защитных ферментов и гормонов. Наоборот, растения с низким содержанием кремния пытались компенсировать структурную уязвимость, активнее запуская биохимическую защиту.
Ключевые открытия были сделаны на генетическом уровне. В ответ на атаку вредителей растения с высоким содержанием кремния активировали около 2,8 тыс. генов, в то время как уязвимые образцы показали реакцию на 40% слабее. Растению приходится выбирать, на что тратить ресурсы – на рост или на защиту. Кремний меняет это уравнение: он формирует «дешевую» минеральную броню, не отвлекая углерод и азот от роста. Лишенный этой брони рис вынужден производить «дорогие» органические соединения, такие как лигнин, подавляя при этом гены, ответственные за фотосинтез и рост. В итоге растение тратит ресурсы на неэффективную защиту и перестает развиваться.
Исследователи определили набор генов-кандидатов, которые отвечают за устойчивость, связанную с кремнием. Эти данные могут стать основой для селекционеров при выведении новых сортов риса, способных эффективнее накапливать кремний. Такой подход поможет снизить зависимость от инсектицидов в условиях, когда осенняя совка стремительно распространяется по Африке и Азии, угрожая посевам риса, кукурузы и хлопка.