Ученые определили переносчика кремния для повышения урожайности риса
Кремний (Si) широко распространен в земной среде и составляет от 0,1% до 10% сухого веса растения. Некоторые виды растений демонстрируют высокий уровень накопления Si, и исследования выявили, что высокое накопление Si является защитным механизмом против абиотических (засуха, холод, жара) и биотических стрессоров (живые организмы).
Oryza sativa (рис) может хранить Si в количестве до 10% от сухой массы побегов (стебля, листьев, цветков), а Si жизненно важен для стабильного производства зерна. Считается, что высокая степень отложения кремния смягчает ущерб, вызванный вредителями, патогенами и дисбалансом питательных веществ. У риса поглощение Si регулируется двумя разными типами корневых переносчиков, но конкретный механизм, участвующий в клеточно-специфическом отложении Si в листьях риса, остается загадкой.
Ученые из Университета Окаямы, Япония, обнаружили, что Silicon Efflux Transporter 4 (SIET4) способствует локализации Si в листьях риса. Их функциональный анализ, подробно описывающий эффекты делеционных мутантов SIET4, был опубликован в журнале Nature Communications.
Проект возглавил доктор Цзянь Фэн Ма, профессор Института растениеводства и ресурсов Университета Окаямы. Соавторами отчета выступили доктор Намики Митани-Уэно, доктор Наоки Ямаджи, доктор Шэн Хуан и доктор Такааки Миядзи, также из Университета Окаямы.
«Моя исследовательская группа уже некоторое время исследует молекулярные механизмы , лежащие в основе способности риса накапливать большое количество кремния», — говорит доктор Ма. «Однако, хотя мы идентифицировали транспортеры, которые обеспечивают поглощение Si корнями и транслокацию от корня к побегу, нам еще предстояло определить, как Si откладывается в листьях».
Команда провела ряд экспериментов, чтобы понять роль SIET4 в накоплении кремния в листьях. Они включали создание нокаутных мутантов — когда целевой ген разрушается — и функциональную характеристику SIET4 для сравнения профилей транскрипции риса дикого типа (WT) и мутантов SIET4. Команда также изучила транспортную активность и клеточную локализацию SIET4.
«Мы подтвердили, что SIET4 кодирует переносчик Si и конститутивно экспрессируется в листьях риса WT. Более того, транспортер локализуется на дистальной стороне эпидермальных и буллиформных клеток (помогает скручивать листья во избежание потери воды) листовой пластинки», — говорит доктор Ма.
В отличие от риса WT, растения, у которых отсутствовал SIET4, подавляли рост и в конечном итоге погибали при выращивании в присутствии Si в питательном растворе и почве.
Другими характерными особенностями мутантов SIET4 были уменьшенные корни и побеги, аномальное отложение Si в клетках мезофилла листьев и индукция многих генов реакции на стресс. Это открытие указывает на то, что неправильное накопление Si в неопределенных тканях было похоже на реакцию растения на стрессовый фактор окружающей среды. В совокупности данные команды указывают на то, что SIET4 жизненно важен для правильного экспорта Si из клеток листа на поверхность листа и для здорового роста растения.
Это представляет собой смену парадигмы, поскольку долгое время считалось, что Si был единственным элементом, обнаруженным в таком изобилии в почве и не повреждающим растения. В случае с рисом эти результаты показывают, что сложные процессы, такие как накопление Si в листе, обеспечивают выживание. В отчете отражены результаты десятилетних исследований, но доктор Ма непоколебим в своей решимости.
Он заключает:
«Эта работа потенциально может расширить наше понимание того, как растения накапливают большое количество кремния. Мы надеемся найти такие гены, как SIET4, в других видах растений, чтобы мы могли заняться повышением продуктивности многих более важных культур».
Источник: Университет Окаямы
