Растения подают сигнал об опасности

Нынешнее бабье лето на Южном берегу Крыма наверняка запомнилось многим любителям бархатного сезона удивительной природной аномалией: там вновь зацвели весенние растения — сирень и розы. Многие шутили, что из-за невероятной летней жары они перепутали времена года и впали в спячку, а когда температура снизилась, некоторые цветы и кустарники отреагировали на нее, как и положено после долгого сна, по-весеннему.

Вместо гербицидов — далматская ромашка

— Вы полагаете, что можно в принципе уйти от генной модификации растений, перейдя на естественные пути регуляции их жизнедеятельности?

— Не совсем. Есть культуры, такие, как соя, рапс, подсолнечник, которые необходимы в большом количестве, и тут вполне применимы методы генной инженерии. Но в то же время существует органическое земледелие, оно очень развито в Англии, США — там люди стараются выращивать продукцию без применения защитных веществ, без пестицидов, меньше вносить минеральных удобрений.

Регуляторы роста наверняка могут нам помочь в решении тех программ и проблем, которые возникают сегодня с использованием биоресурсов для производства топлива (биодизель, биоэтанол), лекарственных веществ природного происхождения и так далее. Я склонен думать, что регуляторы роста помогут нам использовать те же природные пестициды. Например, далматская ромашка, которую применяли еще со времен Александра Македонского. В медицине и ветеринарии она используется как средство борьбы с насекомыми (мухи, комары, вши, клопы, тараканы), для лечения чесотки, а также в борьбе с вредителями овощных и плодово-ягодных культур и амбарными вредителями. Действующие вещества далматской ромашки — это контактные яды, которые поступают через кутикулу и дыхательную систему в организм насекомого и разрушают клетки центральной нервной системы. Сегодня об этом растении вспоминают редко, потому что его вещество не стабильно и чувствительно к действию света. Но если использовать природные антиоксиданты и стабилизаторы вместе с природными пестицидами, мы получим очень хорошую форму, абсолютно безопасную для человека и теплокровных.

Второе такое вещество — азадирахтин, названный так по растущему в Индии дереву азадирахта, из которого его выделяют. Вещество это свободно разлагается в природе и практически не токсично для человека, поэтому его даже добавляют в косметическую продукцию. Но интересен азадирахтин еще и тем, что нарушает циклы роста многих насекомых, а также вызывает у них потерю аппетита. Представляете, если применить это средство против саранчи?

Что общего у человека и сорняка?

Гормоны в растениях выступают своего рода регуляторами обмена веществ клеток, обеспечивая реализацию заложенных генетических программ. Сегодня ученые ищут ответы на вопросы, каким образом клетка растения узнает, что к мембране подошел конкретный гормон, как происходит рецепция этого сигнала — ведь сама молекула не может проникнуть в клетку, подействовать на ДНК и запустить программу. Эти колоссальной сложности каскады событий происходят для того, чтобы растение адекватно реагировало в тех или иных условиях или просто нормально развивалось. Поэтому понять механизмы передачи гормонального сигнала — одно из ключевых направлений современной физиологии, молекулярной биологии растений.

Если же говорить о гормонах, то их у растений по сравнению с животными немного — всего пять классических и примерно столько же не классических. Но в основном вся жизненная стратегия растений, переходы от одного этапа к другому, развитие корней, листьев, цветение, определяется соотношением и изменением баланса этих гормонов. И цитокинины (гормоны, молекулярные механизмы действия которых мы изучаем), в частности, очень важны для клеточных делений.

— Ваши фундаментальные исследования имеют практическую направленность?

— Установлено, что размер зерна в некоторых злаках или образование клубеньков у клубеньковых растений зависит от сигналинга цитокининов. Поэтому, усиливая или ослабляя его, можно регулировать как размеры зерна, так и образование клубеньков. А это уже имеет реальное практическое значение.

«Современная наука находится в начале понимания механизмов роста и развития растения, однако в некоторых аспектах достигнуты определенные успехи», — говорит заведующий отделом прикладной генетики Института биологии Берлинского университета, профессор Томас Шмуллинг. На его взгляд, «проводимые сегодня исследования уже в ближайшем будущем дадут результаты, позволяющие кардинально решить проблемы стабилизации урожая, а также повышения стойкости растений к стрессовым факторам».

Однако наиболее острой проблемой, связанной с растениями, является недостаток воды, утверждает сотрудник Ланкастерского университета (Великобритания) Ян Додд. Его исследования связаны с поиском растений, использующих минимальное количество жидкости для поддержания нормальной жизнедеятельности, и разработкой технологии так называемого «дефицитного орошения». Важная роль в сокращении потерь воды растением отводится тонкой регуляции метаболизма растений с помощью гормонального сигналинга от корней к побегам. Эти направления исследований являются экологически аргументированными, так как основываются на использовании потенциала растительного организма и не требуют, по словам Яна Додда, внесения в почву ничего, кроме того, что в ней уже есть.

Как полагает японский исследователь Хитоши Сакакибара, на решение задачи потребуется не так уж много времени — не более пяти лет, если, разумеется, сохранятся прежние темпы развития науки.

От диабета защитит пыльца?

Ученые все больше убеждаются, как много общего у гормонов растений и человека. Причем не только в химической структуре, но и в способе действия и в том, как они вызывают физиологические эффекты. Структуру первого гормона этой группы установили американские ученые: для этого им пришлось переработать сотни килограммов пыльцы рапса и выделить из нее буквально несколько миллиграммов гормона. Тогда-то и стало ясно, что стероиды управляют ростом, развитием и дифференциацией клеток не только у человека и животных, но и у растений.

— Мы синтезируем гормоны химическим путем, но точно такие же, какие существуют в природе. Но, в отличие от растений, мы можем синтезировать не микро- или нанограммы, а граммы и килограммы и употребить те же их свойства, которые используются природой, — говорит заведующий лабораторией химии стероидов Института биоорганической химии НАН Беларуси, профессор Владимир ХРИПАЧ. — Главным образом, способность стимулировать рост клеток, влиять на гормональный обмен, стимулировать биосинтез белка, нуклеиновых кислот.

Скажем, богатая фитогормонами пыльца внесена в фармакопею многих стран как ценный лекарственный препарат, способствующий повышению иммунитета, защитных свойств организма. Хотя вопросы применения растительных стероидов в медицине находятся пока на стадии развития. Но, думаю, уже в самое ближайшее время на их основе будут созданы препараты, способные эффективно служить людям.

Уже известны и некоторые формы применения фитогормонов у людей. Например, антихолестеринемическое действие. Мы предположили, что фитогормоны могут выполнять роль неких биорегуляторов, выступать в роли блокаторов общих стерольных рецепторов, которые контролируют биосинтез холестерина в организме человека. Появилась информация о противоопухолевом действии гормонов этой группы.

В нашем институте на основе стероидных фитогормонов созданы препараты, повышающие защитные функции растений и их урожайность. Если использовать наш препарат вместе с каким-нибудь обычным гербицидом, то действие последнего значительно усилится. По какой-то причине гербицид начинает действовать намного эффективнее. Дело в том, что, применив наш препарат в соответствующей фазе роста нужного нам растения, соответствующей дозе и соответствующим образом, мы поднимем жизненный потенциал защищаемого растения. Вы наверняка хорошо знаете, когда у свеклы или какой-нибудь другой культуры сомкнутся рядки, то там сорнякам и делать нечего. Мы ускорим рост нужного нам растения, усилим его жизненный потенциал.

— Многие регуляторы роста действуют именно по этому принципу — они ничего не убивают, а лишь усиливают естественный механизм жизненной активности и потенциала защищаемого растения. Они стимулируют его иммунитет — а это защищенность от тех же фитопатогенов, грибов, сорняков. Ведь взаимодействие «растение—сорняк» это не что иное, как конкуренция за место под солнцем.

Гормоны — это еще и средство химической коммуникации. Для информирования другого растения существуют летучие вещества. Например, его атакуют насекомые, нарушают целостность растительного покрова, оболочки. Тут у растения появляются летучие вещества, которые легко испаряются и переносятся к другим растениям и вполне могут служить сигнализаторами опасности, вызывая соответствующие защитные реакции. Иногда это может быть и выделение каких-то веществ, отпугивающих насекомое.

Почему хрустальная травка не боится засухи?

— Когда растение попадает в неблагоприятные условия, у него нарушается целый ряд процессов, к примеру фотосинтез, — поясняет директор Института физиологии растений им. К.Тимирязева РАН, профессор Владимир КУЗНЕЦОВ. — Это приводит к тому, что, как и у человека, в нем начинают выделяться очень агрессивные молекулы — активные формы кислорода. Именно они вызывают ускоренное старение и болезни, поскольку очень агрессивны — любую молекулу, которую встречают в организме, тут же уничтожают.

При действии многих неблагоприятных факторов растение активно синтезирует маленькие молекулы — аминокислоты — они обладают тоже протекторным эффектом. Когда организму совсем уж плохо, начинают работать так называемые гены шокового ответа — своеобразная «пожарная команда», синтезирующая набор белков, которые позволяют адаптироваться и выжить в условиях интенсивного повреждения.

Возьмем повышение температуры. Растение нормально себя чувствует при температуре 23 градуса. Если ее достаточно быстро поднять всего на шесть-семь градусов, то запускается несколько десятков генов, синтезирующих защитные макромолекулы — белки теплового шока.

Среди них есть молекулы, которые удаляют «мусор» — остатки разрушенных молекул. Они разрушают и направляют его компоненты на повторное использование — чтобы строить полезные молекулы. Есть белки — шапероны (с французского это переводится как нянька), которые действительно как няньки буквально сопровождают нужную молекулу на всех этапах ее формирования.

Но для того чтобы растение было устойчивым, необходимы не отдельные клетки или ткани, а все органы — и лист, и стебель, и корень. Конечно, есть механизмы, обеспечивающие выживание каждой отдельной клетки и не обращающие внимания на то, что происходит с целым растением. Скажем, когда повышается температура, растение повреждается, то каждая клетка защищается индивидуально. Но у наиболее устойчивых растений механизм защиты реализуется на уровне целого организма.

Возьмем, к примеру, явление транспирации. На каждом листе есть особые устьица — небольшие открывающиеся и закрывающиеся клетки. Когда они открываются, растение «глотает» углекислый газ, за счет которого оно создает всю органическую массу на планете. Как только устьица открываются — а их очень много даже на одном миллиметре, — одновременно с этим растение теряет воду, потому что концентрация воды внутри клетки в тысячи раз превышает концентрацию воды в атмосфере. То есть идет его обезвоживание. Но в этом есть и свой «плюс»: когда повышается температура на улице, растение не синтезирует сразу аварийную защитную команду, а прежде всего начинает повышать транспирацию. Растение начинает терять больше воды, а когда вода испаряется, листья охлаждаются. Поэтому на улице может быть 35 градусов, а на поверхности листа — всего 25. Этот механизм реализуется как раз на уровне целого растения — одна клетка не может осуществлять транспирацию. Поэтому самые устойчивые растения — те, которые эволюционно имеют подобные защитные механизмы. Например, хрустальная травка, живущая в самых засушливых пустынях земного шара. Она действительно «хрустальная», поскольку на 99% состоит из воды, и знаменита тем, что в обычных условиях, скажем, в период весенних дождей, когда засоленность почвы невысока и температура низкая, живет как и все обычные растения. То есть фотосинтез осуществляет по тому же самому типу: днем ее устьица, поглощающие углекислый газ, открыты, а ночью закрыты. Летом же если бы хрустальная травка днем открывала устьица, то она бы очень быстро погибла от обезвоживания. Поэтому, когда прогрессирует засуха, повышается засоленность, она переходит на другой тип фотосинтеза, при котором устьица днем закрыты, а открываются ночью, когда становится прохладней и влажность воздуха возрастает. Это позволяет примерно в десять раз экономить воду.

Растения — удивительно стабильная, то есть устойчивая эволюционно система. Как и человек, в норме живут без особых проблем, но стоит подействовать какому-то фактору, который мешает их жизни, начинают «думать», как выжить, запуская то одну стратегию выживания, то другую. Но у растений с точки зрения выживания существует колоссальный недостаток — невозможность убежать от неблагоприятного фактора. Поэтому вся эволюция растения была направлена на то, чтобы оно могло при любых условиях выживать там, где оказалось. Скажем, появляются овцы или козы, которые съедают растение — но в земле остается корень. Из одной-единственной клетки может вырасти точно такой же организм. В растениях есть разного рода алкалоиды, ядовитые вещества, которые синтезируются как один из механизмов защиты.

— Нас все время пугают глобальным потеплением. Не исчезнут ли растения?

— Такие изменения не происходят внезапно. Чтобы температура стала выше хотя бы на одну десятую градуса, нужны очень серьезные изменения климата, за время развития которых растения успеют приспособиться. Эволюционно они адаптировались к определенной скорости изменения условий обитания. Если условия и дальше будут изменяться в таком же темпе, то фитоценозы адаптируются. Хотя в последние 200 лет ситуация катастрофически изменилась. Появились совершенно новые факторы — химикаты, которые загрязняют воздух и с которыми растения раньше никогда не встречались, а потому могут не иметь генетически заложенного механизма адаптации. Скорость изменения адаптации растений возросла в десятки тысяч раз. Представьте, если у растений не хватит резервов адаптироваться к таким условиям?

— Ученым тогда придется научиться синтезировать кислород?

— Синтезировать кислород в таких количествах, чтобы восполнить все то, что производят растения и водоросли, невозможно. Хотя будем надеяться, что никогда ничего подобного не произойдет.