Высокое содержание соли в почве — настоящая беда для растений. Корням становится трудно всасывать воду, нарушается минеральный обмен, страдает фотосинтез. В итоге растение плохо растет и дает мало плодов. Особенно опасен для культур натрий: он вытесняет из клеток калий, вызывает обезвоживание и окислительный стресс — словно ржавчина изнутри разъедает ткани. Чтобы выжить, растения включают защитные механизмы. Например, специальные белки-транскрипционные факторы (вроде WRKY) и стресс-протекторы (например, LEA) помогают удержать клетки в целости. Но как именно эти белки работают в арбузе, до недавнего времени было неясно.

Ученые из Государственной ключевой лаборатории стрессовой биологии растений в засушливых зонах при Северо-Западном университете А&F (совместно с коллегами из Академии сельского и лесного хозяйства Нинся и Северо-Восточного сельскохозяйственного университета) нашли недостающее звено. Они выяснили, как работает механизм, повышающий солеустойчивость арбуза. Исследование вышло в журнале Horticulture Research. Оказывается, белок ClWRKY61 напрямую связывается с белком ClLEA55, и вместе они управляют генами защиты от стресса. Ученые удаляли и, наоборот, заставляли работать эти гены с помощью технологии CRISPR/Cas9 и увидели: арбузы с усиленной парой ClWRKY61–ClLEA55 чувствуют себя при высокой солености намного лучше.

Когда арбуз полили раствором с 300 миллимолями хлорида натрия (это очень солено), в корнях и листьях резко выросла активность гена ClWRKY61. Опыты с редактированием генома подтвердили: этот ген — настоящий боец за выживание. Растения, у которых его выключили, быстро увядали, их клетки разрушались, а защитный фермент супероксиддисмутаза (СОД) еле работал. Зато арбузы, где ClWRKY61 работал в усиленном режиме, стояли зелеными и бодрыми, а признаки солевого повреждения были едва заметны.

Дальше — больше. Ученые применили целый арсенал методов: дрожжевой двухгибридный анализ, тест GST pull-down, люциферазную комплементацию и флуоресцентную микроскопию. Выяснилось, что белок ClWRKY61 физически взаимодействует с белком ClLEA55 — это так называемый белок позднего эмбриогенеза, известный своей ролью «щита» для клеток. У мутантов без ClLEA55 картина была такой же печальной, как и у мутантов без ClWRKY61: листья вяли, соль делала свое черное дело.

Чтобы понять, что именно происходит внутри, исследователи прочитали всю РНК в клетках. Оказалось, что у арбузов с выключенным ClWRKY61 меняется активность 554 генов. Многие из них имеют на своем управляющем участке особый «узнаваемый» WRKY-блок — W-бокс. Эти гены отвечают за гормональные сигналы, антиоксидантную защиту и водный обмен. Среди них — гены фермента фитоенсинтазы, других важных факторов (MYB и ERF), сахарозосинтазы, глутатионредуктазы и протеинкиназ, чувствительных к кальцию. Все вместе это похоже на дирижера, который машет палочкой, и целый оркестр защитных сил начинает слаженно играть.

Профессор Сянь Чжан, который руководил работой, поясняет:

Наше открытие показывает прямую связь между работой управляющих генов и защитными белками в арбузе. Белок ClWRKY61 и белок ClLEA55 образуют комплекс. Вместе они запускают целую сеть генов, которые гасят окислительный стресс и следят за тем, чтобы внутри клетки не накапливался лишний натрий. Это не только помогает лучше понять семейство белков WRKY, но и дает нам конкретные молекулярные мишени, чтобы выводить арбузы и другие тыквенные культуры с высокой устойчивостью к соли.

Итог этого исследования — практическая дорожная карта. Уже сейчас можно использовать молекулярное скрещивание или редактирование генов, чтобы создавать сорта арбуза, которые не боятся засоления. Модуль ClWRKY61–ClLEA55 может стать отличным генетическим маркером. Ведь солью заражено больше 8 процентов всех пахотных земель в мире. А значит, такие работы — не просто академический интерес. Это вклад в продовольственную безопасность и устойчивое сельское хозяйство. И не только для арбуза: эта история — модель для понимания того, как спасать от стресса и другие культуры.

Какая от этого польза? Раньше знали, что есть белки WRKY и белки LEA. Теперь показали, что они могут работать не по одиночке, а вместе — физически соединяться. Это меняет взгляд: раньше думали, что транскрипционные факторы просто включают гены, а LEA-белки служат «запасными» щитами. Оказывается, они действуют как единый комплекс. Это открывает новые вопросы: а что, если и в других растениях такие пары управляют устойчивостью? Можно пересмотреть старые данные.

Для реальной жизни польза понятна. Арбузы растут в засушливых регионах — там полив часто бывает солоноватой водой, да и почвы сами засолены. Фермеры теряют урожай. Теперь можно создавать сорта, которые будут давать плоды там, где раньше росла одна полынь. И не нужно будет завозить тонны гипса для мелиорации или промывать поля пресной водой — её и так мало. Обычный человек, покупая арбуз, даже не узнает, что он «устойчивый», просто фрукт будет сладким и сочным, несмотря на плохую землю. К тому же этот механизм можно попробовать перенести на огурцы или тыквы — родственники арбуза.

Исследование убедительно показывает, что совместная работа ClWRKY61 и ClLEA55 важна для солеустойчивости. Но один важный момент остался за кадром. Ученые работали в контролируемых условиях — на молодых растениях в климатических камерах или теплицах, с резким скачком соли до 300 mM NaCl. В реальном поле засоление почти никогда не бывает таким однородным и резким. Оно нарастает постепенно, часто сопровождается засухой или щелочностью, а в почве есть микроорганизмы, которые влияют на корни. Непонятно, как поведет себя модуль ClWRKY61–ClLEA55 в этих настоящих, «грязных» условиях. Может оказаться, что в поле арбуз с усиленным модулем все равно подвянет из-за других факторов — например, из-за нехватки фосфора или перегрева. Критическое замечание: перед рекомендациями для селекции нужны полевые испытания хотя бы на двух разных типах засоленных почв и в разные сезоны. Без этого результат остается блестящей лабораторной историей, которая может не сработать на грядке.

Ранее ученые нашли симбионты, защищающие растения от соли.