Вчені дослідили, як пшениця адаптується до теплового стресу

Результати дослідження опубліковані в журналі Journal of Plant Physiology, пише sbras.info.

Відомо, що висока температура негативно впливає на розвиток рослин і знижує їх продуктивність. Чи буде культура стійка до стресу, визначається тим, наскільки її клітини забезпечені енергією.

«Саме від цього залежить відповідь на стресовий вплив. Якщо енергії досить, і вона витрачається в потрібному руслі, то рослина виживає, адаптується, якщо немає — в кінцевому підсумку гине», — розповідає старший науковий співробітник лабораторії фізіологічної генетики СІФІБР СО РАН кандидат біологічних наук Ольга Боровик.

Основні процеси, які постачають і перетворюють енергію в клітинах рослин, — фотосинтез і дихання. В результаті фотосинтезу відбувається синтез цукрів, що використовуються для дихання, підтримки процесів росту та розвитку. Проте цей механізм виявляється надзвичайно чутливим до впливу високої температури.

«До високих температур дуже чутливі мембрани, в тому числі мембрани хлоропластів та мітохондрій. Відбуваються структурні зміни в клітині, інактивуються багато ферментів, посилюється дихання, відзначено зниження фотосинтезу, виснажується або обмежується пул доступних відновлювальних еквівалентів і цукрів, і рослина гине. Як зовні листя в'януть, так і на фізіолого-біохімічному рівні відбувається згасання багатьох процесів», — зазначила науковець.

За її словами, останнім часом взаємодія фотосинтезу і дихання вивчається досить активно. Передбачається, що в стресових умовах другий процес бере участь в підтримці першого. Важлива роль тут відводиться альтернативним ферментам дихання — тим, які виступають заміною основних, якщо відбувається обмеження їх функціонування. Один з таких ферментів — альтернативна оксидаза мітохондрій.

Науковці дослідили, як теплове загартування і тепловий стрес впливають на життєздатність ярої пшениці, на синтез білків теплового шоку і зміст водорозчинних вуглеводів в листках, а також, на функціонування ізольованих хлоропластів і мітохондрій.

В першу чергу вчені підбирали такі умови теплового загартування, щоб рослина змогла витримувати тривалий вплив високих температур. Контейнери з сходами пшениці на 24 години поміщали в камеру при температурі 39°C. Потім їх піддавали дії 50°C протягом однієї і трьох годин. Після цього рослини досліджували на вміст в них водорозчинних вуглеводів, білків теплового шоку, білка альтернативної оксидази. Вчені виділяли з листя мітохондрії, очищали їх від хлоропластів і визначали функціонування альтернативної оксидази.

Експерименти показали, що вклад альтернативної оксидази і вміст її білка збільшується при тепловому загартовуванні і підтримується на високому рівні при впливі теплового стресу.

«Ми продемонстрували, що цей фермент бере участь у розвитку термотолерантних рослин. Завдяки йому культура більш стійка до високих температур. Ми припустили, що альтернативна оксидаза бере участь в підтримці фотосинтезу і допомагає рослині адаптуватися до теплового стресу», — розповідає Ольга Боровик.

Також було доведено, що функціонування альтернативної оксидази залежить від пулу водорозчинних вуглеводів.

«До цих пір у світовій літературі були суперечливі відомості з цього приводу. У нашому дослідженні ми побачили: коли цукрів багато, внесок цього ферменту в дихання збільшується», — зазначає дослідниця.

Однією з причин активації альтернативної оксидази може бути збільшення вмісту в хлоропластах і мітохондріях пероксиду водню, який виконує сигнальну функцію. У наступних експериментах вчені перевірятимуть цю гіпотезу. У перспективі результати таких досліджень можна буде використовувати для створення сортів пшениці, найбільш стійких до впливу високих температур.