Американские исследователи из Стэнфордского университета расшифровали молекулярный механизм, помогающий растениям переносить нехватку влаги. Речь идет о связях между клеточной мембраной и жесткой клеточной стенкой, которые удерживают клетку от разрушения при обезвоживании. Это открытие, основанное на столетних наблюдениях немецких ботаников, может лечь в основу создания новых сельскохозяйственных культур, устойчивых к глобальным климатическим изменениям.
В начале двадцатого века ботаник Карл Хехт обнаружил, что при дефиците воды мембрана растительной клетки отделяется от внешней стенки, но сохраняет с ней связь в нескольких точках сцепления. Эти мембранно-стенные контакты получили название «структур Хехта», однако их точный биохимический состав долгое время оставался неизвестным. В условиях нормального увлажнения внутреннее давление прижимает мембрану к стенке, но при засухе клетка теряет воду, и давление падает. Точки сцепления работают как молекулярные тросы – они не дают мембране полностью сжаться и оторваться, что позволяет растению быстро восстановиться после возобновления полива.
С помощью методов криоэлектронной томографии и высокоразрешающей визуализации ученые смогли рассмотреть эти контакты на наноуровне. Выяснилось, что за фиксацию отвечает комплекс целлюлозосинтазы – молекулярный аппарат, синтезирующий волокна целлюлозы для клеточной стенки. Эти белки буквально вшивают целлюлозные нити в мембрану, обеспечивая механическую прочность. Регулируют этот процесс другие белки – реморины, которые ограничивают количество сцепок и контролируют плотность прилегания мембраны к стенке.
Для подтверждения этой теории биологи провели генетические эксперименты на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana) – модельном растении, родственном многим важным сельскохозяйственным культурам. Растения с мутациями, нарушающими синтез целлюлозы, сформировали мало точек сцепления, из-за чего их корни росли медленнее, а сами они оказались крайне чувствительны к засухе. Напротив, образцы без реморинов имели большее число контактов и переносили обезвоживание значительно легче. Данное противоборство белков демонстрирует тонкий баланс, необходимый для выживания растений в меняющихся условиях среды.
По мнению авторов исследования, понимание этого механизма открывает новые возможности для аграрной биотехнологии. Изменение климата приводит к росту частоты и интенсивности засух, что ставит под угрозу продовольственную безопасность. Направленное изменение активности белков целлюлозосинтазы и реморинов позволит выводить новые сорта зерновых и технических культур, способных сохранять продуктивность в засушливых регионах. Более того, эти же механизмы могут отвечать за адаптацию растений к засолению почв и экстремальным температурам. В дальнейшем ученые планируют изучить стабильность точек сцепления у дикорастущих засухоустойчивых видов и проверить, как эти связи работают на разных этапах жизненного цикла растений, включая созревание семян.