Биологи Томского госуниверситета научились защищать растения от стресса с помощью фитогормонов — «растительных стероидов», безвредных для самих растений и для людей. Лабораторные испытания показали, что такой способ может повысить урожайность на 10-15%.
Следующей весной ученые планируют начать масштабные эксперименты на полях в Беларуси. Что такое «четвертая зеленая революция» и как наука ищет безопасные пути побороть голод — в специальном проекте Tomsk.ru и ТГУ «Технотренды».
Зачем защищать растения от стресса?
Ожидается, что к 2050 году население Земли увеличится еще на два миллиарда человек. По подсчетам ООН, сейчас в мире голодают более 800 миллионов человек, и чем больше растет популяция, тем острее встает проблема с нехваткой еды.
Чтобы решить ее, надо получать много растений — здоровых и продуктивных, устойчивых к стрессу (а стрессуют они, на минуточку, буквально от всего — смены погоды, изменения химсостава почвы и так далее). Биологи трудятся над этой задачей не покладая рук, и каждое принципиально новое открытие, влияющее на урожайность, фиксируется как «зеленая революция».
«В настоящее время известно о трех «зеленых» революциях. Первая была связана с использованием бобовых растений и азотфиксацией (50-е годы XVIII века до 50-х годов XIX века). Урожай составлял от семи до 14 центнеров на гектар. Вторая революция тоже продолжалась следующие 100 лет и была связана с использованием минеральных удобрений. Это позволило поднять урожай до 14-30 центнеров на гектар. Третий этап зеленой революции связан с получением корокостебельных сортов растений, успехами селекции, генетики и биотехнологии. Урожай на данном этапе поднялся от 30 до 50 и даже 100 центнеров на гектар.
Не исключено, что в недалеком будущем нас ожидает новый этап зеленой революции, который будет связан с использованием регуляторов роста, получаемых из самих растений. Это так называемые фитогормоны, изучением которых мы сейчас занимаемся. Они позволяют регулировать продуктивность и устойчивость культур, используя их же собственные ресурсы», — рассказывает доцент кафедры физиологии растений и биотехнологии БИ ТГУ Марина Ефимова.
Как работает гормон?
«Гормоны» — слегка пугающее понятие относительно еды. Но приставка «фито» указывает на естественное происхождение. Это не химический, а природный стимулятор. Японцы называли брассиностероиды «дирижерами растительного царства». Их открыли в конце 1970-х годов, когда обратили внимание, что пыльца растений семейства капустных обладает ростостимулирующей активностью.
Ученые решили определить, что это конкретно за вещество, собрали больше 200 килограммов пыльцы, и из этого количества смогли выделить всего 40 милиграммов гормона, названного брассиностероидом. В растительных объектах он присутствует в мизерной концентрации — 10-5–10-15 моль на литр. Соответственно, каждый миллиграмм — на вес золота, но, к счастью, его научились синтезировать из дрожжей.
Этим, в частности, занимаются белорусские ученые из Института биоорганической химии Академии наук Беларуси. Партнерство с ними сложилось у томичей в те времена, когда основатель кафедры физиологии растений Раиса Александровна Карначук изучала регуляторную роль света: она одной из первых в мире оценила, что фитогормоны могут помочь растениям развиваться даже в темноте.
У этого арабидопсиса из лаборатории БИ ТГУ удален ген, синтезирующий брассиностероиды. Растение в итоге сильно отличается от своего «полноценного» собрата, растет маленьким, бледным и хилым.
«Растения — это такой «ящик Пандоры», который только начинает раскрываться. В процессе их исследования мы узнаем удивительные вещи, например, к настоящему моменту мы научились растения праймировать — развивать у них память, как это ни странно звучит. Дело в том, что их защитные механизмы по преодолению стресса включаются после встречи с «врагом» — каким-либо неблагоприятным фактором (засухой, избытком влаги, действием пестицидов, болезнями).
Мы решили потренировать их до этой встречи, сделав «прививку» брассиностероидами, которые сами по себе являются мощными стрессовыми адаптогенами. И потом наблюдали, как ведет себя растение, «помнит» ли химический сигнал», — поясняет Марина Ефимова.
Например, обработанные реактивом с брассиностероидами семена рапса ученые помещали в условия хлоридного засоления. Тут надо сказать, что выбор рапса не случаен: это одна из основных культур Томской области, на которую делается большая ставка. И эксперимент именно с засолением почв тоже не случаен: это доминирующий стресс-фактор, ограничивающий рост и продуктивность сельскохозяйственных культур, в том числе в нашем регионе.
Так вот, оказалось, что взрослое растение химический сигнал все же «помнит» — оно не только не погибло, но и «прибавило» в урожайности 10-15%. Так же хорошо показал себя в эксперименте картофель.
«Сейчас мы исследуем, сколько именно действует защита брассиностероидов, на каком этапе онтогенеза растения его лучше вводить, какая концентрация подходит для разных культур — она ведь может различаться в миллионы раз. Это трудоемкая работа, каждый эксперимент длится месяцев по шесть.
В лаборатории мы уже доказали, что наши вещества могут повышать устойчивость к водному дефициту, полиметаллическому загрязнению и хлоридному засолению. Следующий этап — выходить в поле. Планируем делать это в Беларуси в следующем сельскохозяйственном сезоне», — отмечает ученый.
