Когда растение оказывается в излишней тени, оно перераспределяет свои ресурсы на получение света. При этом урожайность и рост корней замедляются, так как растение стремится вырасти выше своих соседей, чтобы получить доступ к солнечному свету.
«Избегание тени — это ключевая стратегия выживания для организмов, зависящих от фотосинтеза, однако это также создает трудности для фермеров», — отметил доцент лаборатории Cold Spring Harbor (CSHL) Уллас Педмале. Он объяснил, что этот эволюционный механизм ограничивает плотность высадки, что, в свою очередь, сказывается на урожайности.
«Конкуренция за солнечный свет возникает из-за скопления растений, что приводит к тому, что они могут вырасти выше необходимого», — добавил Педмале. «Растения тратят всю свою энергию на попытки достичь большего роста, что негативно сказывается на урожае и биомассе, от которых зависит фермерство. Кроме того, этот процесс также истощает корни, что замедляет их развитие».
На протяжении десятилетий исследователи изучают, как растения реагируют на тень, стремясь найти способы помочь им развиваться при более высокой плотности высадки. Большая часть исследований сосредоточена на изменениях в стеблях и листьях, однако команда Педмале решила выяснить, что происходит под землей, когда растения не получают достаточно света. Эта проблема является особенно актуальной, так как растения с плохо развитыми корнями более подвержены засухам, наводнениям и ураганам — угрозам, которые становятся все более частыми из-за изменения климата.
Используя растения томатов и модельное растение арабидопсис, доктор-исследователь Даниэле Росадо и другие члены команды Педмале сравнили корни саженцев, выращенных при полном освещении, с корнями растений, которые развивались в тени и были короче и менее развиты. Они обнаружили, что сотни генов, ответственных за реакцию на стресс, активировались у растений, выращенных в условиях недостатка света, включая десятки генов, кодирующих белки WRKY, которые регулируют экспрессию других генов.
Чтобы подтвердить, что они ограничивают рост корней, команда Педмале генетически модифицировала растения так, чтобы определенные гены WRKY оставались активными независимо от условий. Ученые обнаружили, что у растений с высоким уровнем определенных белков WRKY корни оставались слабыми и плохо развитыми, как у растений, находившихся в тени, даже при достаточном освещении. В то же время стебли этих растений развивались нормально. Также было установлено, что растительный гормон этилен (необходимый для созревания плодов) может играть роль в реакции корней на тень.
Педмале надеется, что выяснение роли этих белков в избегании тени поможет ученым создать более высокоурожайные растения: такие, которые смогут процветать в более плотных условиях, выдерживать экстремальные погодные явления и, возможно, даже снизить уровень глобального потепления, поглощая углекислый газ из атмосферы с помощью разветвленной корневой системы.