Ячмень — одна из древнейших зерновых культур, играющая важную продовольственную роль во многих странах. В будущем из-за климатических проблем ее возделывание, как и других сельскохозяйственных растений, может оказаться под угрозой. Чтобы ответить на эти вызовы, сегодня биологи по всему миру ищут способы повысить устойчивость растений к экстремальным условиям и исследуют их адаптивные возможности.
Какие методы применяют ученые, чтобы сделать зерновые культуры более выносливыми? И как им в этом помогают растения, собранные в окрестностях Чернобыльской АЭС? Разбираемся вместе со старшим научным сотрудником Всероссийского научно-исследовательского института радиологии и агроэкологии, кандидатом биологических наук Елизаветой Казаковой.
— Елизавета, ваш основной проект посвящен изучению стрессоустойчивости растений. Расскажите, о каких стрессах идет речь? Как проводят такие исследования?
— На самом деле это целое направление, которым давно занимаются в нашем институте. На растения всегда влияют какие-то стрессоры, например, климатические — засуха, наводнения или засоление почвы. Флоре деваться некуда, поэтому, чтобы защитить себя, она старается адаптироваться. Например, может изменить экспрессию своих генов (процесс, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт: рибонуклеиновую кислоту (РНК) или белок — прим. ред.).
Дело в том, что маленькие дозы излучения, да и в целом разных стрессов, могут оказывать стимулирующие действие на рост, развитие и стрессоустойчивость растений. В случае влияния низких доз излучения такой эффект называют радиационной стимуляцией.
Нам стало интересно, какие дозы стимулируют, а какие ингибируют, то есть тормозят развитие ячменя. Если небольшие дозы радиации действительно положительно влияют, то это может помочь им бороться с другими стрессорами.
Мы нашли такие дозы и решили посмотреть, какие изменения происходят с ячменем после облучения.
— И в ходе этих экспериментов оказалось, что растения укрепляют себя с помощью особых генов?
— Да, с помощью изменения работы определенных генов. Зная дозы, которые стимулируют рост ячменя, мы провели исследования на молекулярном уровне, изучили молекулы РНК, сложные биохимические процессы.
Нам удалось обнаружить гены, связанные с реакцией на такое излучение. Обычно эти гены участвуют в кальциевом сигнале, а также связаны с гормонами стресса.
Затем мы решили проверить реакцию изучаемых сортов ячменя на разных стадиях его развития и убедились в том, что стресс изменил экспрессию генов, выявленных нами ранее в лабораторном эксперименте. Причем эти изменения происходят не только на ранних, но и поздних стадиях развития растения.
— Как выглядит такой эксперимент?
— В специальных теплицах мы высаживали две группы семян, одну из которых облучили. Дальше наблюдали за ростом, собирали пробы, что, к слову, достаточно кропотливый процесс. Растения проходят разные стадии развития, от появления проростка до цветения и созревания семени, и на всех этапах нужно смотреть, что происходит с генами внутри клеток.
Чтобы это сделать, мы складывали образцы, в том числе листья и корни, в пробирки и замораживали их в жидком азоте. Все нужно сделать очень быстро и аккуратно, чтобы не началась нежелательная стрессовая реакция. Затем относим в лабораторию и там, не размораживая, выделяем из них нуклеиновые кислоты.
В результате мы обнаружили, что усиление экспрессии интересующих нас генов непосредственно связано с усилением ростовых процессов растений после низкодозового облучения.
Более того, есть основания полагать, что те же самые гены могут участвовать в устойчивости растений и к другим стрессорам, в частности, климатическим. Связано это с тем, что молекулярные пути, которые растение использует, чтобы приспособиться к разным стрессорам, могут быть очень похожи — то есть, выявление пути ответа на низкодозовое облучение позволяет в дальнейшем протестировать поведение найденных нами генов в условиях действия других стрессоров.
— Какие сорта участвовали в исследовании?
— Мы изучали отечественные сорта ячменя, предоставленные Аграрным научным центром «Донской». Например, сорт под названием «Фокс» стимулировала поглощенная доза радиации в 20 грей, которой были облучены семена. Эта доза приводила, как уже я упоминала выше, к увеличению ростовых параметров: длины корня, побега. Для человека этот уровень радиации крайне опасен, а вот для семян, как оказалось, приводит к стимулирующим эффектам.
Но отмечу, что эти дозы подходят только тем сортам, с которыми мы работали. Все культуры обладают разной радиочувствительностью, для каждого вида нужен свой эксперимент.
— На каком этапе сейчас находится этот проект?
— Мы продолжаем развивать это направление. Интересно было бы и дальше использовать омиксный подход (основанный на достижениях геномики — прим. ред.) в поиске потенциальных генов стрессоустойчивости.
Потому что изначально мы выбирали эти гены, основываясь на транскриптомном анализе (один из видов омиксных анализов) ячменя только одного сорта, а потом, грубо говоря, подтверждали их роль в ответе на стимулирующее воздействие радиации, на более широком диапазоне сортов с помощью анализа именно методом ПЦР в реальном времени.
В целом, мы сейчас активно развиваем нашу биотехнологическую лабораторию, планируем заняться поиском новых кандидатных генов для других сортов ячменя и, возможно, еще каких-нибудь сельскохозяйственных культур. И потом перейти к редактированию этих растений методами генной инженерии, чтобы в будущем получить как можно больше стрессоустойчивых и высокоурожайных сортов, и помочь в решении глобальных экологических проблем.
— Существенная часть наших исследований связана с растениями, привезенными из зоны отчуждения Чернобыльской АЭС: резуховидка Таля, являющаяся модельным видом, а также различные виды травянистых растений. Среди них: клевер белый, горошек мышиный, тысячелистник обыкновенный. Мы смотрим, как на них повлияло хроническое излучение.
— Что можете рассказать об этих образцах? Как на них повлияла многолетняя радиация после аварии на ЧАЭС?
— Внешних изменений у этих растений мы не видим. Возможно, в дальнейшем с эволюционной точки зрения они могут как-то поменяться. Но это не отражается на их облике, у них не выросли огромные листья или что-то в таком роде.
Если говорить о молекулярных-биохимических изменениях, то они, конечно, есть. В том числе в гормональной и антиоксидантной системах, а также в экспрессии генов. Что не удивительно, ведь эти растения вот уже больше 38 лет подвергаются хроническому облучению.
— Но при этом сами растения на территории Чернобыльской АЭС чувствуют себя хорошо?
— Да, и это несмотря на то, что на них до сих пор действуют радионуклиды, находящиеся в почве. Растения к ним довольно хорошо адаптировались.
Возможно, они также будут устойчивы и к другим стрессовым факторам, если их куда-то пересадить. Но та радиация, которая до сих пор может быть опасна для человека, если он постоянно будет находиться в зоне с повышенным радиационным фоном, для этих растений угрозы не представляет.
В целом можно сказать, что с тех пор, как из этого региона ушел человек, природа там ожила. И для биологов это, конечно, хорошая новость. На территории процветает много краснокнижных видов, например ирис сибирский, венерин башмачок настоящий, ятрышник клопоносный. Встречали там и редчайший исчезающий вид — папоротник гроздовник виргинский. Из животных это, конечно, «живое ископаемое» — зубр.
— Какие сейчас проводите исследования с привезенными оттуда растениями?
— В прошлом году мы закрыли грант РНФ по этой тематике, но надеемся на дальнейшие командировки в зону отчуждения: хотим привезти новые образцы для изучения.
Сейчас у нас в лаборатории поддерживается коллекция семян резуховидки Таля, которые мы собрали на загрязненных радионуклидами участках. Проращивая их в стенах лаборатории, мы продолжаем изучать комбинированное воздействие стрессоров на «потомков» чернобыльских растений. Результаты помогли нам узнать больше фундаментальных вещей о действии излучений на растения и дальше смотреть в сторону возможной большей устойчивости видов к другим стрессорам.
— Вы также изучаете, как космическое излучение и микрогравитация влияют на растения. Что интересного удалось узнать в этой области?
— Это мое любимое исследование. Такую тему я выбрала после защиты кандидатской, когда побывала на одной из конференций. Работы в этой научной области довольно перспективны и проводятся, в том числе, на МКС.
До сих пор ученым не до конца понятно, как гравитация и облучение протонами влияют на растения, и мы решили смоделировать эти процессы здесь, в лаборатории в Обнинске.
Облучение мы проводили в комбинации с работой клиностата на протонном комплексе Медицинского радиологического научного центра (МРНЦ) им. А.Ф. Цыба. Наши коллеги из МРНЦ нам здорово помогли с осуществлением этой задумки.
Мы предположили, что хронически облученные семена окажутся более устойчивыми к космическим стрессам. И оказались правы. С помощью специального прибора, флуориметра, удалось понять, как у них изменяется один из жизненно важных процессов — фотосинтез. Анализ флуоресценции хлорофилла показал, что растение, выращенное из чернобыльских семян, более устойчиво к нашим моделируемым условиям, чем растения дикого типа.
Еще в этих исследованиях проводим опыты с растениями, которые космонавты используют в пищу, в частности, салат латук. Мы выяснили, что у него меняются морфофизиологические характеристики и концентрации аминокислот.
— Да, он не опасен. На самом деле растения на космической станции, как и люди там, хорошо защищены от воздействия излучения. Если только не произойдет какая-нибудь мощная солнечная вспышка, тогда может набраться довольно большая доза радиации.
— Как планируете развивать это исследование?
— Сейчас идет активная подготовка к публикации. Позже мы продолжим эксперименты по облучению и по клиностатированию других видов салата.
— С какими трудностями могут столкнуться специалисты в вашей сфере?
— Хороший вопрос. Трудности всегда имеются, можно сказать, это часть ежедневной рутины. Например, чтобы следить за растениями, нужно выходить в лабораторию в выходные, потому что они растут круглосуточно. На любом этапе эксперимента может что-то пойти не так. Необходимо все время решать разные задачи, двигаться вперед, искать поддержку и грамотно планировать. Но ведь в этом и заключается работа ученого. Трудности всегда приводят нас к развитию.
Беседовала Анна Шиховец
