_ Cercetătorii descoperă circuitul biologic care oferă o nouă cale pentru crearea de culturi rezistente la secetă

Schimbările climatice dăunează deja recoltelor agricole și ar putea reprezenta într-o zi o amenințare semnificativă pentru aprovizionarea cu alimente a lumii. Construirea unor culturi mai rezistente, inclusiv a celor capabile să prospere în fața secetei sau a nivelurilor ridicate de salinitate a solului, este o nevoie din ce în ce mai urgentă.

Un nou studiu de la Keck School of Medicine din USC dezvăluie detalii despre modul în care plantele reglementează răspunsurile lor la stres care se poate dovedi crucial pentru aceste eforturi.

Cercetătorii au descoperit că plantele își folosesc ceasurile circadiene pentru a răspunde la modificările nivelului extern de apă și sare pe parcursul zilei. Același circuit – o buclă de feedback elegant controlată de o proteină cunoscută sub numele de ABF3 – ajută, de asemenea, plantele să se adapteze la condiții extreme, cum ar fi seceta. Rezultatele au fost publicate în jurnalul Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Concluzia este că plantele sunt blocate pe loc. Nu pot alerga și bea un pahar de apă. Nu pot. se mută la umbră atunci când doresc sau se îndepărtează de solul care are exces de sare. Din acest motiv, ei au evoluat pentru a-și folosi ceasurile circadiene pentru a măsura în mod rafinat și a se adapta la mediul lor", a spus autorul principal al studiului, Steve A. Kay. , Ph.D., Universitatea și Profesor Provost de Neurologie, Inginerie Biomedicală și Biologie Computațională Cantitativă la Școala de Medicină Keck și Director al Centrului USC Michelson pentru Bioștiințe Convergente.

Descoperirile se bazează pe o lungă linie de cercetare din laboratorul lui Kay privind rolul proteinelor ceasului circadian atât la plante, cât și la animale. Proteinele de ceas, care reglează schimbările biologice de-a lungul zilei, pot oferi o soluție inteligentă la o provocare continuă în ingineria culturilor.

Crearea de plante rezistente la secetă este dificilă, deoarece plantele răspund la stres încetinind propriul lor stres. creștere și dezvoltare — un răspuns exagerat la stres înseamnă o plantă cu performanțe slabe.

„Există un echilibru delicat între creșterea toleranței la stres a unei plante în timp ce maximizează creșterea și randamentul acesteia”, a spus Kay. „Rezolvarea acestei provocări este făcută cu atât mai urgentă de schimbările climatice.”

Cercetări anterioare în biologia plantelor au arătat că proteinele de ceas reglează aproximativ 90% din genele plantelor și sunt esențiale pentru răspunsurile lor la temperatură, intensitatea luminii și durata zilei, inclusiv schimbările sezoniere care determină momentul în care înfloresc. Dar o întrebare importantă a fost dacă și cum proteinele din ceas controlează modul în care plantele gestionează schimbarea apei și a nivelurilor de salinitate a solului.

Pentru a explora legătura, Kay și echipa sa au studiat Arabidopsis, o plantă folosită în mod obișnuit în cercetare, deoarece este mic, are un ciclu de viață rapid, un genom relativ simplu și împărtășește trăsături și gene comune cu multe culturi agricole.

Au creat o bibliotecă cu toți cei peste 2.000 de factori de transcripție Arabidopsis, care sunt proteine ​​care controlează modul în care genele sunt exprimate în diferite circumstanțe. Factorii de transcripție pot oferi informații cheie despre reglarea proceselor biologice. Cercetătorii au creat apoi o conductă de analiză a datelor pentru a analiza fiecare factor de transcripție și pentru a căuta asocieri.

„Am avut o surpriză foarte mare: că multe dintre genele pe care le reglementa ceasul erau asociate cu răspunsurile la secetă”, Kay. spus, în special cei care controlează hormonul acid abscisic, un tip de hormon de stres pe care plantele îl produc atunci când nivelul apei este foarte ridicat sau foarte scăzut.

Analiza a arătat că nivelurile de acid abscisic sunt controlate de proteinele de ceas, precum și de factorul de transcripție ABF3 în ceea ce Kay numește „bucla de feedback homeostatic”. Pe parcursul unei zile, proteinele ceasului reglează ABF3 pentru a ajuta plantele să răspundă la schimbarea nivelului apei, apoi ABF3 furnizează informații înapoi către proteinele ceasului pentru a menține răspunsul la stres sub control. Aceeași buclă ajută plantele să se adapteze atunci când condițiile devin extreme, de exemplu în timpul unei secete. Datele genetice au dezvăluit, de asemenea, un proces similar pentru gestionarea modificărilor nivelurilor de salinitate a solului.

„Ceea ce este cu adevărat special la acest circuit este că permite plantei să răspundă la stresul extern, menținând în același timp răspunsul la stres sub control, astfel încât poate continua să crească și să se dezvolte”, a spus Kay.

Descoperirile indică două noi abordări care pot ajuta la creșterea rezistenței culturilor. În primul rând, crescătorii agricoli pot căuta și selecta diversitatea genetică naturală în circuitul circadian ABF3, care oferă plantelor un ușor avantaj în răspunsul la stresul de apă și salinitate. Chiar și o mică creștere a rezistenței ar putea îmbunătăți substanțial randamentul culturilor la scară largă.

Kay și colegii săi intenționează, de asemenea, să exploreze o abordare de modificare genetică, folosind CRISPR pentru a proiecta gene care promovează ABF3 pentru a proiecta o secetă puternică. plante rezistente la secetă.

„Acesta ar putea fi o descoperire semnificativă în gândirea modului de modulare a plantelor de cultură pentru a fi mai rezistente la secetă”, a spus Kay.

Pe lângă Kay, studiul alți autori sunt Tong Liang, Shi Yu, Yuanzhong Pan și Jiarui Wang de la Departamentul de Neurologie, Școala de Medicină Keck, Universitatea din California de Sud.

(Fluierul)