Klimatske promene već nanose štetu poljoprivrednim prinosima i mogu jednog dana predstavljati značajnu pretnju za snabdevanje hranom u svetu. Inženjering otpornijih useva, uključujući one koji mogu da napreduju u uslovima suše ili visokog nivoa saliniteta zemljišta, je sve hitnija potreba.
Nova studija sa Medicinskog fakulteta Keck u USC otkriva detalje o tome kako biljke regulišu svoje odgovore na stres koji se mogu pokazati ključnim za te napore.
Istraživači su otkrili da biljke koriste svoje cirkadijalne satove da reaguju na promene spoljnih nivoa vode i soli tokom dana. To isto kolo – elegantna povratna sprega koju kontroliše protein poznat kao ABF3 – takođe pomaže biljkama da se prilagode ekstremnim uslovima kao što je suša. Rezultati su objavljeni u časopisu „Zbornik radova Nacionalne akademije nauka“.
„Suština je da su biljke zaglavljene na svom mestu. Ne mogu da trče okolo i da piju vodu. Ne mogu da se presele u senku kada žele ili dalje od zemlje koja ima višak soli. Zbog toga, oni evoluirali su da koriste svoje cirkadijalne satove za izvrsno merenje i prilagođavanje svom okruženju“, rekao je stariji autor studije, dr Stiv A. Kej, profesor neurologije, biomedicinskog inženjerstva i kvantitativne računarske biologije na Univerzitetu i profesor Univerziteta u Kecku. Medicinski fakultet i direktor USC Michelsonovog centra za konvergentnu bionauku.
Nalazi se zasnivaju na dugom nizu istraživanja Kejove laboratorije o ulozi proteina cirkadijalnog sata i kod biljaka i kod životinja. Proteini sata, koji regulišu biološke promene tokom dana, mogu pružiti oštroumno rešenje za tekući izazov u inženjerstvu useva.
Stvaranje biljaka otpornih na sušu je teško jer biljke reaguju na stres usporavanjem sopstvenog rasta i razvoja – prenapuhan odgovor na stres znači biljku slabijeg učinka.
„Postoji delikatan balans između povećanja tolerancije biljke na stres uz maksimiziranje njenog rasta i prinosa“, rekao je Kej. „Rešavanje ovog izazova je još hitnije zbog klimatskih promena.
Prethodno istraživanje biologije biljaka pokazalo je da proteini sata regulišu oko 90% gena u biljkama i da su centralni za njihove reakcije na temperaturu, intenzitet svetlosti i dužinu dana, uključujući sezonske promene koje određuju kada cvetaju. Ali jedno veliko otvoreno pitanje bilo je da li i kako proteini sata kontrolišu način na koji biljke podnose promenu nivoa vode i saliniteta zemljišta.
Da bi istražili vezu, Kej i njegov tim proučavali su Arabidopsis, biljku koja se obično koristi u istraživanju jer je mala, ima brz životni ciklus, relativno jednostavan genom i deli zajedničke osobine i gene sa mnogim poljoprivrednim kulturama.
Stvorili su biblioteku svih od više od 2.000 faktora transkripcije Arabidopsis, koji su proteini koji kontrolišu način na koji se geni eksprimiraju u različitim okolnostima. Transkripcijski faktori mogu pružiti ključne uvide u regulaciju bioloških procesa. Istraživači su zatim izgradili cevovod za analizu podataka kako bi analizirali svaki faktor transkripcije i tražili asocijacije.
„Dobili smo zaista veliko iznenađenje: da su mnogi geni koje je sat regulisao povezani sa odgovorima na sušu“, rekao je Kej, posebno oni koji kontrolišu hormon abscizičnu kiselinu, vrstu hormona stresa koji biljke proizvode kada su nivoi vode veoma visoki ili Veoma nizak.
Analiza je otkrila da nivoi apscizinske kiseline kontrolišu proteini sata, kao i faktor transkripcije ABF3 u onome što Kej naziva „homeostatskom povratnom spregom“. Tokom dana, proteini sata regulišu ABF3 kako bi pomogli biljkama da reaguju na promenu nivoa vode, a zatim ABF3 vraća informacije proteinima sata kako bi održao odgovor na stres pod kontrolom. Ta ista petlja pomaže biljkama da se prilagode kada uslovi postanu ekstremni, na primer tokom suše. Genetski podaci su takođe otkrili sličan proces za rukovanje promenama nivoa saliniteta zemljišta.
„Ono što je zaista posebno u vezi sa ovim krugom je to što omogućava biljci da reaguje na spoljni stres, dok drži svoj odgovor na stres pod kontrolom, tako da može da nastavi da raste i razvija se“, rekao je Kej.
Nalazi ukazuju na dva nova pristupa koja mogu pomoći u povećanju otpornosti useva. Kao prvo, poljoprivredni uzgajivači mogu da pretražuju i biraju genetski diverzitet koji se prirodno pojavljuje u cirkadijalnom ABF3 krugu koji daje biljkama blagu prednost u reagovanju na stres vode i slanosti. Čak i malo povećanje otpornosti moglo bi značajno poboljšati prinos useva u velikim razmerama.
Kej i njegove kolege takođe planiraju da istraže pristup genetskoj modifikaciji, koristeći CRISPR za projektovanje gena koji promovišu ABF3 kako bi dizajnirali biljke veoma otporne na sušu.
„Ovo bi mogao biti značajan napredak u razmišljanju o tome kako modulirati usjeve da bi bile otpornije na sušu“, rekao je Kej.
