Почему рассада томатов, дважды пережившая 44-градусную жару, приносит на 50% больше урожая

Растения не могут уйти в прохладное место при наступлении жары, поэтому их выживание целиком зависит от способности быстро перестраивать работу своих клеток. Для сельского хозяйства эта особенность создает серьезную проблему. Томат — культура, крайне уязвимая к перегреву, особенно в период цветения. Когда температура поднимается выше нормы, пыльца теряет жизнеспособность, цветки опадают, и плоды не завязываются. По расчетам климатологов, к 2050 году мировое производство томатов сократится примерно на 6% исключительно из-за повышения средних температур воздуха.

Биологи из Института овощеводства и декоративного садоводства имени Лейбница в немецком городе Гросберен под руководством Юстины Олас и Филипа Вигге изучили, как томаты переносят повторяющиеся волны жары. Исследователи обнаружили неожиданный физиологический эффект: если пятидневный росток сначала подвергнуть умеренному нагреву, а через несколько дней — сильной жаре, он не только выживет, но и спустя три месяца принесет в полтора раза больше плодов, чем растения, которые всю жизнь росли в комфортных условиях.

Авторы работы проследили всю цепочку этого явления: от подсчета килограммов урожая на открытом поле до биохимических процессов внутри микроскопической точки роста стебля.

Как работает тепловая закалка у растений

Способность живых организмов запоминать перенесенный температурный стресс и готовиться к его повторению ученые называют тепловым праймингом, или закаливанием. Если растение сталкивается с умеренным, несмертельным нагревом, оно временно меняет работу своих генов и состав внутриклеточных веществ. Когда вслед за этим наступает экстремальная жара, подготовленное растение переносит ее с минимальными потерями, тогда как неподготовленное погибает.

Долгое время этот механизм изучали в основном на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana). Это небольшое дикорастущее растение с очень коротким циклом развития, которое удобно выращивать в лаборатории. Однако у резуховидки память о перенесенном нагреве держится всего три-четыре дня. Если вторая волна жары придет на пятые сутки, растение встретит ее совершенно беззащитным. Оставалось неясным, как устроена тепловая память у крупных овощных культур, которые растут в поле месяцами.

Немецкие биологи провели серию экспериментов на популярном коммерческом сорте томатов Moneymaker. Для начала они проверили, способны ли молодые растения в принципе запоминать тепловой стресс и как долго сохраняется этот эффект.

Пятидневные проростки томата, выращенные на питательной среде, подвергли предварительной закалке:

1. Сначала температуру подняли со стандартных +22 °C до умеренно жарких +37 °C на полтора часа.
2. Затем растениям дали отдохнуть полтора часа при +22 °C.
3. После этого проростки прогрели при +44 °C в течение 45 минут.

Такой ступенчатый режим не причинял росткам видимого вреда. После закалки томаты вернули в комфортные условия (+22 °C) на разный срок — 3, 5, 10, 20 или 25 дней. По истечении этого времени растения подвергли основному испытанию: непрерывному нагреву при +44 °C в течение полутора часов. Одновременно под такой же удар попала контрольная группа проростков того же возраста, которые предварительную закалку не проходили.

Результаты показали, что томаты помнят перенесенный нагрев значительно дольше резуховидки:

• При перерыве в 3 дня между закалкой и основным ударом жары 60% проростков остались полностью зелеными, а 40% получили лишь слабые повреждения листьев.
• При перерыве в 5 дней полностью зелеными остались 20% растений, а у 80% наблюдались легкие повреждения, но ни один росток не погиб.
• При перерыве в 10 дней выжили все 100% закаленных растений, отделавшись слабыми повреждениями.
• Через 20 дней защитный эффект начал угасать: 40% растений получили тяжелые повреждения, а 60% погибли.
• Только к 25-му дню память о закалке полностью стерлась — после полутора часов при +44 °C погибли все ростки.

Неподготовленные проростки, которые сразу попали под полуторачасовой нагрев при +44 °C, во всех случаях останавливались в росте, теряли зеленую окраску и в большинстве своем погибали.

Способность томата удерживать память о тепле в течение двух-трех недель имеет прямое биологическое обоснование. В отличие от быстро отцветающей резуховидки, у томата длительный период роста зеленой массы до появления первых бутонов. Длинная тепловая память позволяет ростку защищать свои ткани на протяжении всей весенней и раннелетней стадии развития, когда погода часто меняется.

От выживания к рекордному урожаю: опыты в камерах и в поле

Убедившись, что пятидневного перерыва между двумя прогревами достаточно для стопроцентного выживания рассады, исследователи проверили, как пережитый в раннем возрасте стресс скажется на взрослом растении.

Для этого проростки разделили на четыре группы:

1. Контрольная группа — растения, которые постоянно росли при +22 °C и никогда не подвергались перегреву.
2. Группа только с закалкой — проростки, получившие на пятый день от роду мягкий ступенчатый прогрев, но избавленные от второго жесткого удара.
3. Группа только с жестким нагревом — незакаленные ростки, получившие на десятый день жизни полтора часа при +44 °C.
4. Группа двойного воздействия — ростки, прошедшие и закалку на пятый день, и жесткий нагрев на десятый день.

Через три дня после завершения температурных процедур выжившие растения пересадили в горшки с почвой и поместили в просторные климатические камеры с постоянной температурой +22 °C. За кустами наблюдали до полного созревания плодов — урожай собирали и взвешивали через 60 дней после раскрытия первого цветка.

Первые бутоны у всех групп появились одновременно. Однако по количеству завязавшихся плодов растения, пережившие двойное воздействие (закалку и последующий жесткий нагрев), значительно опередили контрольную группу. В среднем они принесли на 10,2 плода больше с каждого куста — прирост составил 41%. Общая масса помидоров с одного такого растения выросла в среднем на 432 грамма. Повторный независимый эксперимент в камерах подтвердил прибавку урожая более чем на 30%.

Лабораторные камеры поддерживают искусственный микроклимат, поэтому следующим шагом стала проверка в реальных погодных условиях. Проростки из контрольной группы и группы двойного нагрева на 13-й день жизни высадили в горшки с землей, на 20-й день перенесли в открытую теплицу для привыкания к уличному воздуху и солнечному свету, а на 27-й день высадили в открытое поле под Берлином. Полевой опыт длился с июля по сентябрь под контролем метеостанции.

Перед самой высадкой в грунт ученые изучили верхушки побегов под микроскопом и убедились, что обе группы находятся на одной и той же стадии развития и уже заложили первые цветочные почки. Однако по внешнему виду отличия были заметны сразу. Растения после двойного прогрева сформировали гораздо более мощную корневую систему: вес их корней как в свежем, так и в высушенном виде был значительно выше, чем у контрольных томатов. Кроме того, они активнее росли вверх и оставались выше контрольных кустов вплоть до 48-го дня жизни.

Осенью, через 60 дней после начала цветения, исследователи собрали полевой урожай. Разница оказалась еще заметнее, чем в лаборатории:

• Контрольные растения, не знавшие перегрева в рассадном возрасте, дали в среднем по 98,7 плода с куста при общем весе 3,44 килограмма.
• Растения, прошедшие в первые десять дней жизни через закалку и повторный тепловой удар, принесли в среднем по 150,8 плода с куста — на 52 помидора больше. Общий вес плодов с одного куста составил 5,23 килограмма (прибавка почти в 1,8 килограмма с каждого растения).

Зачастую, когда растение тратит ресурсы на увеличение числа плодов, страдает их размер или пищевая ценность. Чтобы проверить это, авторы работы измерили параметры созревших красных помидоров и провели их точный химический анализ методом жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Выяснилось, что плоды с высокоурожайных кустов ни в чем не уступали обычным: средний вес одного помидора, его диаметр, количество семян внутри, а также содержание важнейших для здоровья человека антиоксидантов — бета-каротина и лютеина — остались неизменными.

Отдельно ученые проверили урожайность второй группы — тех растений, которые получили только мягкую закалку на пятый день жизни, но не подвергались второму тяжелому удару жарой на десятый день. Оказалось, что сама по себе закалка урожай не увеличивает: такие кусты выросли даже немного ниже обычных и принесли точно такое же количество плодов, как и контрольная группа.

Это означает, что переход растения в режим повышенной продуктивности происходит не от самой закалки, а в результате преодоления повторного тяжелого стресса. Предварительный прогрев лишь готовит защитную базу, но именно второй удар жары запускает в выжившем проростке программу ускоренного роста корней, стебля и плодов.

Защита точки роста и сохранение стволовых клеток

Чтобы понять, почему неподготовленные ростки после полутора часов при +44 °C останавливаются в развитии, а закаленные начинают расти еще быстрее обычного, биологи изучили состояние их верхушечной точки роста (в ботанике ее называют апикальной меристемой побега).

На самой верхушке стебля любого растения находится крошечный участок ткани, состоящий из постоянно делящихся стволовых клеток. В отличие от животных, у которых органы закладываются еще до рождения, растение создает новые части тела всю жизнь именно за счет этой зоны. Стволовые клетки точки роста делятся и дают начало всем будущим листьям, боковым побегам, цветкам и плодам. Если жара разрушит эту зону, растение потеряет способность расти дальше.

Через сутки после второго, жесткого прогрева ученые обработали проростки трипановым синим. Это вещество не может проникнуть сквозь целую оболочку живой клетки, но легко окрашивает клетки с разрушенными мембранами. У незакаленных томатов вся верхушка побега окрасилась в густой синий цвет — клетки точки роста массово погибли от высокой температуры. У закаленных растений эта зона осталась чистой и живой.

Затем исследователи проверили, как в клетках точки роста работают гены, отвечающие за поддержание и деление стволовых клеток (гены с названиями SlSTM, SlCLV1, SlCLV3 и SlWUS). Для этого тончайшие срезы верхушек побега обработали специальными метками, которые показывают присутствие рабочих молекул РНК нужного гена прямо на микроскопическом препарате.

Выяснилось следующее:

• Сама по себе мягкая закалка не меняет работу генов стволовых клеток.
• Если неподготовленное растение сразу попадает под температуру +44 °C, работа генов деления в точке роста полностью прекращается уже через 30 минут. Ни через 6 часов, ни через сутки она не возобновляется — стволовые клетки утрачивают свою функцию, и точка роста отмирает.
• У закаленного растения через 30 минут после второго, жесткого нагрева активность этих генов тоже резко падает — деление клеток временно приостанавливается. Однако уже через 6 часов работа генов SlSTM и SlCLV1 полностью восстанавливается и даже превышает уровень контрольных растений, не подвергавшихся нагреву. К 24 часам полностью приходит в норму и ген SlCLV3.

Таким образом, предварительная закалка позволяет растению сохранить жизнеспособность стволовых клеток в критический момент, быстро перезапустить их деление после окончания жары и за счет этого обогнать в развитии обычные растения.

Скрытая генетическая готовность

Перед учеными встал главный вопрос: каким образом клетки точки роста хранят память о первом нагреве на протяжении пяти и более дней?

Самое простое предположение заключалось в том, что после первой волны тепла растение производит защитные вещества и просто держит их в клетках про запас. Чтобы проверить это, биологи вручную отделили под микроскопом крошечные верхушки побегов и измерили активность защитных генов через 30 минут, 2 часа, 24 часа, 72 часа и 120 часов (5 суток) после первой закалки.

Предположение о постоянном запасе не подтвердилось. Через 30 минут после закалки в точке роста действительно резко возрастала активность около 600 генов, включая гены главных защитных белков. Но уже через 2 часа это число падало вдвое, а к исходу первых суток (через 24 часа) активность всех запущенных генов возвращалась к исходному нулевому уровню. На третьи и пятые сутки закаленный проросток по текущей работе генов ничем не отличался от контрольного растения. Поддерживать защитные системы включенными постоянно для растения слишком затратно — это тормозит обычный рост.

Разница проявилась только тогда, когда ученые расшифровали полный набор работающих генов в точке роста через 30 минут после второго удара жарой.

Сравнив реакцию на первый и второй нагрев, исследователи выделили группу из 267 генов, которые обеспечивают долговременную тепловую память. Ученые относят их к генам памяти второго типа. Их особенность состоит в том, что во время первой закалки они включаются, затем полностью затихают на несколько дней, но при повторном появлении жары срабатывают во много раз сильнее и быстрее, чем при первой встрече с высокой температурой.

В эту группу вошли гены, кодирующие так называемые белки теплового шока (SlHSP17.6, SlHSP70, SlHSP90). При температуре +44 °C обычные рабочие белки внутри живой клетки начинают терять свою форму, разворачиваться и слипаться между собой, из-за чего клетка погибает. Белки теплового шока предотвращают этот процесс: они удерживают другие клеточные белки в правильном состоянии и помогают им восстановить структуру после перегрева. Кроме того, в список 267 генов памяти вошли гены, управляющие переработкой сахаров (обеспечивающих клетку энергией) и реакцией на растительные гормоны.

Молекулярный механизм: три участника одной цепи

Проанализировав структуру всех 267 генов тепловой памяти, авторы работы выяснили, какие именно молекулы управляют их работой в точке роста томата. Оказалось, что система защиты держится на взаимодействии трех ключевых компонентов.

1. Главный белок-переключатель SlHSFA2

В клетках существуют особые регуляторные белки (транскрипционные факторы), задача которых — садиться на ДНК в начале нужного гена и запускать его работу. Анализ показал, что у 105 из 267 генов тепловой памяти томата перед началом гена есть одна и та же короткая последовательность ДНК, к которой крепится регуляторный белок под названием SlHSFA2.

В обычных условиях при +22 °C ген самого SlHSFA2 в точке роста томата практически не работает. Во время первой закалки его активность возрастает в 600 раз, затем падает до нуля, а во время второго удара жары взлетает уже более чем в 1200 раз.

Чтобы доказать, что именно этот белок управляет тепловой памятью, ученые провели опыты на генетически модифицированных томатах, у которых ген SlHSFA2 был прицельно вырезан. Такие растения выглядели совершенно нормально при обычной температуре и легко переносили первую мягкую закалку. Но когда через пять дней наступал второй, жесткий удар жары, они погибали. Секвенирование показало, что без белка SlHSFA2 в точке роста не могут полноценно включиться 83 важнейших гена тепловой памяти, а стволовые клетки теряют способность к делению.

2. Защитный ген SlBAG6

Среди генов, которые напрямую включает белок SlHSFA2, исследователи выделили ген SlBAG6. Он отвечает за выработку белка, который помогает клетке пережить перегрев и блокирует запуск программы клеточного самоуничтожения при стрессе.

У обычных закаленных томатов во время второго удара жары количество РНК гена SlBAG6 в точке роста увеличивается в десятки раз. У мутантных растений, лишенных переключателя SlHSFA2, ген SlBAG6 в точке роста при повторной жаре не включается вообще — его активность остается на нуле.

Когда ученые искусственно заблокировали работу гена SlBAG6 в обычных здоровых томатах (используя для этого безопасный растительный вирус, который заставляет клетку уничтожать РНК заданного гена), растения полностью потеряли устойчивость к жаре. Шестичасовой прогрев при +44 °C приводил к тяжелым ожогам и гибели листьев, даже несмотря на то, что сам переключатель SlHSFA2 у этих растений был в полном порядке. Это доказало, что SlHSFA2 спасает клетки от жары именно через запуск гена SlBAG6.

3. Гормональные белки-усилители из группы SlERF

Изучая данные секвенирования, биологи обратили внимание на еще одну группу регуляторных белков, количество которых резко возрастало при повторной жаре. Это белки SlERF (в частности, SlERF1.1, SlERF1a, SlERF1b и SlERF4), которые отвечают в растении за реакцию на этилен — газ, выполняющий у растений функцию гормона стресса и созревания плодов.

При проверке выяснилась необычная деталь: выработка белков SlERF при жаре не зависела от главного переключателя SlHSFA2. Даже у мутантов с удаленным геном SlHSFA2 этиленовые белки продолжали исправно производиться в ответ на нагрев. В свою очередь, сам SlHSFA2 не мог включить гены этих белков. Оба процесса шли параллельно.

Ученые предположили, что если эти белки не влияют на производство друг друга, то они могут объединяться уже в готовом виде. Серия проверок в клетках дрожжей и в живых листьях табака под микроскопом подтвердила эту догадку: при повышении температуры белок SlHSFA2 и белки группы SlERF накапливаются в ядре клетки и физически сцепляются друг с другом в единый комплекс.

Чтобы понять, зачем нужно это объединение, исследователи провели показательный эксперимент. Они взяли пусковой участок защитного гена SlBAG6 и присоединили к нему ген фермента светлячка (люциферазы). Такую конструкцию ввели в клетки листьев: чем сильнее в клетке включается пусковой участок SlBAG6, тем ярче светится ткань на снимках специальной камеры.

Проверка трех вариантов дала четкий ответ:

• Если в клетку вводили только белки SlERF, свечения не было совсем. Сами по себе этиленовые белки не умеют присоединяться к ДНК гена SlBAG6 и не могут его включить.
• Если в клетку вводили только белок SlHSFA2, появлялось уверенное свечение — ген SlBAG6 начинал работать на базовом уровне.
• Если же в клетку одновременно вводили и SlHSFA2, и белки SlERF, яркость свечения возрастала в полтора-два раза по сравнению с работой одного SlHSFA2.

Анализ также выявил важное различие между тканями растения. В обычных зрелых листьях при отключении белка SlHSFA2 защитный ген SlBAG6 все равно частично работает — там его могут запускать другие, дублирующие белки-переключатели. Но в верхушечной точке роста, где находятся стволовые клетки, никаких дублеров нет: там жизнь клеток при повторном ударе жары целиком зависит от работы комплекса SlHSFA2 и белков SlERF.

Практическое применение в сельском хозяйстве

Исследование немецких биологов предлагает два конкретных подхода к защите урожая в условиях меняющегося климата.

Первый подход связан с селекцией и генетикой. Теперь, когда известна точная цепочка молекул (SlHSFA2 — SlERF — SlBAG6), отвечающая за выживание точки роста при повторных волнах жары, селекционеры получают четкий ориентир. Отбирая сорта томатов, у которых эти белки вырабатываются активнее или прочнее связываются друг с другом, можно создать линии с еще более длительной тепловой памятью, способные без потерь переносить летние засухи в открытом грунте.

Второй подход не требует ожидания новых сортов или вмешательства в геном и может применяться в существующих тепличных хозяйствах. Сегодня при промышленном выращивании рассады агрономы стараются поддерживать в теплицах ровную, комфортную температуру вплоть до самой высадки растений на постоянное место. Из-за этого рассада попадает в поле неподготовленной к перепадам температур.

Эксперименты в Гросберене показывают, что точно рассчитанный двухэтапный прогрев проростков в рассадных кассетах (на пятый и десятый день после прорастания семян) запускает естественную программу адаптации. Растение не только приобретает многонедельную защиту своих стволовых клеток от будущей жары, но и после высадки в грунт развивает мощную корневую систему и завязывает на треть или наполовину больше полноценных плодов. Такой технологический прием не требует затрат на дополнительные удобрения или химические стимуляторы роста — достаточно лишь изменить температурный график в рассадном отделении.

Источник: the plant journal