Томские биологи нашли природный способ спасти урожай

Представьте, что растения можно «привить» от стресса — точно так же, как людей прививают от болезней. Именно над этим сейчас работают биологи Томского государственного университета вместе с китайскими коллегами. Их разработка может изменить подход к сельскому хозяйству и помочь фермерам получать хороший урожай даже в самых сложных условиях — будь то засуха, мороз или засолённая почва.

Проблема, которая касается каждого

На данный момент сельское хозяйство находится между двух огней. С одной стороны, людей на планете становится всё больше, и всем нужна еда. С другой — климат меняется, и урожаям всё чаще угрожают засухи, засоленные почвы и агрессивные болезни растений.

Обычно эту проблему решают с помощью химии — синтетических удобрений и пестицидов. Но у такого подхода есть серьёзные минусы.

«Традиционно в сельском хозяйстве для защиты растений и увеличения урожая используют синтетические удобрения и пестициды. Однако этот путь ведет к истощению почв и загрязнению водоемов, а главное – получаемая продукция может быть небезопасна для потребителей», — объясняет руководитель проекта, доцент кафедры физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики БИ ТГУ Марина Ефимова.

Как работает природная «прививка»?

Учёные из России и Китая нашли способ обойтись без агрессивной химии. Их идея — не бороться со стрессом извне, а «разбудить» собственный иммунитет растения. Для этого они соединили два природных компонента: растительные сахара (олигосахариды) и фитогормоны — брассиностероиды.

Но почему вообще растениям так тяжело переносить стресс? Дело в том, что, в отличие от животных, они не могут никуда убежать.

«В отличие от животных, которые могут убежать от опасности или сменить территорию обитания в поисках пищи, растения ведут прикреплённый образ жизни. Они вынуждены мириться с тем участком земли, на котором растут, и обходиться минимумом ресурсов. Интересно, что с какими бы стрессами ни сталкивалось растение, будь то загрязнение почвы тяжелыми металлами, засоление, засуха или заморозки, в 99% случаев повреждения на клеточном уровне будут обусловлены жёстким дефицитом воды», — рассказывает старший научный сотрудник Высшей инженерной школы агробиотехнологий ТГУ Лилия Коломейчук.

Возьмём, к примеру, заморозки. Когда температура падает, вода внутри клеток растения начинает превращаться в лёд. Кристаллы льда расширяются и буквально разрывают клетки изнутри. А когда всё оттаивает, повреждённые клетки теряют влагу — и растение погибает от обезвоживания.

Тренировка иммунитета для растений

Чтобы этого не произошло, учёные предлагают заранее «натренировать» растение — этот процесс называется прайминг (от английского prime — подготавливать). Это похоже на закаливание: организм заранее готовится к трудностям, но не тратит энергию впустую, пока стресс не наступил. Зато при первых признаках опасности защита включается мгновенно — неважно, что это: холод, засуха или болезнь.

«Прайминг, который мы проводим, – это обработка растений биокомпозициями из брассиностероидов и леванов. Молекулы левана (ЛОС) обладают уникальной способностью притягивать и удерживать влагу. Располагаясь на внешней стороне клеточных мембран, они действуют как губка, создавая вокруг клетки защитный водный барьер. Это не дает воде хаотично кристаллизоваться при заморозках и защищает ткани от разрывов», — объясняет Марина Ефимова.

А что делают брассиностероиды? Они дают клетке команду вырабатывать специальные защитные белки и вещества, которые нейтрализуют токсины, образующиеся в тканях при стрессе.

Совместные силы России и Китая

У каждой стороны проекта — своя сильная сторона. Учёные ТГУ уже испытали фитогормоны 24-эпибрассинолид и 24-эпикастастерон и первыми в России применили их для защиты популярных культур — ячменя, рапса, пшеницы и картофеля — от засухи и загрязнения тяжёлыми металлами.

Китайские же коллеги — признанные мировые эксперты в синтезе леванов. Раньше эти вещества плохо растворялись в воде из-за огромной молекулярной цепочки — более 400 тысяч звеньев. Но китайские учёные научились создавать ультракороткие версии — всего 10–12 звеньев. Такие соединения прекрасно растворяются в воде, а значит, ими удобно опрыскивать растения или поливать почву.

Что дальше?

Сейчас перед учёными стоит непростая задача — не просто соединить фитогормоны и леваны, а подобрать точную пропорцию и концентрацию для разных культур. Исследователи в России и Китае будут тестировать биокомпозиции в разных условиях: при засолении почвы, засухе, резких перепадах температур и атаках болезней.

Если эксперимент удастся, у аграриев появится новый экологичный инструмент, который поможет получать стабильный урожай даже в сложных климатических зонах — включая Сибирь и Дальний Восток, которые традиционно считаются территориями рискованного земледелия. И всё это — без вреда для почвы, воды и здоровья людей.