России хронически не везет не только с правителями и дорогами, но и с климатом. Холод — это одна из главных проблем страны, на просторах которой зима длится шесть месяцев и более. В то время как для роста растений и, соответственно, хорошего урожая нужны, прежде всего, солнце, тепло и влага. Если вокруг холодно, растения, как правило, сильно страдают, а иногда и гибнут, в результате чего животным и людям оказывается нечего есть.
Все растения Земли можно разделить на три категории по отношению к низким температурам. Первые — это морозоустойчивые растения, которые имеют механизмы, предотвращающие образование льда при замерзании, потому что, если в клетке кристаллизуется лед, она попросту разрывается и гибнет. К таким растениям принадлежат озимые злаки, многолетние травы, множество плодовых деревьев. Вторые — это холодоустойчивые растения: их клетки устойчивы к низким положительным температурам и могут пережить небольшие заморозки, но при образовании льда погибают. Сюда относятся ячмень, овес, лен, модельное растение арабидопсис. И третья категория — это так называемые теплолюбивые растения, например томаты, табак, южные культуры, которые в принципе не переносят холода и при температурах +5-10 °C могут погибнуть.
Какие процессы протекают в клетках и в целом растении при снижении температуры и что нужно, чтобы оно не погибло?
Во-первых, надо предотвратить образование льда. Во-вторых, надо обеспечить процессы транскрипции и трансляции, то есть жизнедеятельности. Надо обновлять белки, наращивать биомассу, пусть не с такой скоростью, как при нормальной температуре, но, тем не менее, процессы обновления должны идти постоянно. В-третьих, надо защитить клеточные мембраны, потому что, если повреждены мембраны, то все содержимое клетки вытекает и ее жизнь прекращается.
Есть несколько основных способов повышения выживаемости клеток при снижении температуры: 1) поддержание работоспособности белков с помощью молекулярных помощников — шаперонов; 2) предотвращение образования льда в клетках посредством синтеза осмолитов: сахарозы, глицерина, пролина, бетаина; 3) предотвращение замерзания мембран посредством снижения их вязкости.
Остановлюсь чуть более подробно на мембранах. При снижении температуры повышается вязкость мембран из-за физического сжатия клеток. Мы сами ежимся, когда температура снижается — и клетки делают то же самое. При наступлении зимы птицы могут улететь из холодных мест в теплые, животные могут отрастить мех и надеть шубу, нарастить жир; в конце концов, они имеют возможность мигрировать туда, где потеплее. А растения ничего этого не могут — где их посадили, там они и растут. Поэтому, что бы ни случилось в окружающей среде, у них должны быть механизмы противодействия неблагоприятным условиям, иначе они просто не смогут выжить.
Мембрана клетки состоит из липидного матрикса, и белков, которые располагаются в этом матриксе. Что такое липиды? Это химические соединения, состоящие из трехосновного спирта — глицерина, и присоединенных к нему длинных цепей жирных кислот. У липидов, входящих в состав мембран, к глицерину присоединены две жирные кислоты, которые образуют гидрофобную (водоотталкивающую) фазу мембраны, и одна заряженная или нейтральная молекула. В двойном слое мембраны они формируют, соответственно, гидрофобную и гидрофильную фазы, одна из которых смотрит внутрь клетки, а другая — наружу, в окружающую среду.
Если жирные кислоты в мембранах имеют прямую структуру, то при снижении температуры они как бы слипаются и происходит т.н. фазовый переход — из нормальной текучей фазы мембрана переходит в вязкую фазу геля. При этом белки, которые находятся в мембране, при такой «опрессовке» больше не могут работать и выполнять свои функции. Задача растения — не допустить такой ситуации.
Для этого существует биохимический механизм, позволяющий из прямых столбиков насыщенных жирных кислот в составе липидов сделать изогнутые столбики, которые бы расходились под углом и не давали мембране слипаться. Задача тут в том, чтобы восстановить нормальную текучесть (или, с другой стороны — вязкость) мембраны путем имитации физического состояния, в которых мембрана находится при нормальной температуре окружающей среды. В таком липидном матриксе белки могут нормально функционировать и при низкой температуре.
Такой способ подгонки физического состояния мембраны под температуру среды осуществляется специальными белками — десатуразами жирных кислот. Десатуразы образуют двойные связи в строго определенном положении жирнокислотной цепи, причем за образование связей в разных положения отвечают разные ферменты. При снижении температуры они индуцируются, формируют двойные связи и, таким образом, вязкость мембраны снижается, и она «разжижается».
Для того чтобы это продемонстрировать экспериментально, мы использовали модельную систему клеток цианобактерий. Чем она хороша? У цианобактерий можно мутировать по выбору практически любой ген, если только отсутствие соответствующего белкового продукта не вызывает смерти клеток. Если ввести мутации в определенные гены десатураз жирных кислот (скажем, отвечающие за образование второй и третьей двойных связей), то организм не сможет образовывать соответствующие двойные связи, и тогда при низких температурах клетки таких мутантов, не способные модулировать вязкость мембран, погибнут.
Однако есть и другие организмы, например, теплолюбивые, которые растут в горячих источниках и в принципе холода никогда не чувствуют. У них в норме (за ненадобностью) не образуется полиненасыщенных жирных кислот с несколькими двойными связями. Но при этом они не способны расти при пониженных температурах. Можно взять такой модельный организм и трансформировать его геном десатуразы, образующей дополнительную двойную связь, из другого организма. То есть получить трансген с более текучими мембранами. Если такие клетки подвергать воздействию низких температур, то контрольные клетки погибают, а трансформанты выживают. Это говорит о том, что количество ненасыщенных жирных кислот в липидах регулирует чувствительность мембраны к низким температурам. Чем больше двойных связей, тем мембраны и клетки устойчивее к низким температурам.
Мы показали это на цианобактериях, и нам интересно было увидеть, работает такая модель на высших растениях или нет. В 2003 году мы использовали теплолюбивый табак для трансформации его дополнительным геном десатуразы из цианобактерий.
В итоге получился трансгенный табак, устойчивый к повреждающему действию низких температур.
Наверняка многие садоводы и дачники сталкивались с такой проблемой: весной, когда появляются первые ростки, вдруг ударяют морозы при ярком солнце, и практически все всходы гибнут. Это явление называется низкотемпературным фотоингибированием, когда при низких температурах растения попадают под сильный свет. В таких условиях фотосинтетический аппарат не справляется с мощным потоком электронов из-за повышенной вязкости мембран, вызванной снижением температуры. Сам по себе яркий свет (при нормальной температуре) или сами по себе низкие температуры (в отсутствие яркого света) были бы не так страшны, но совместное действие этих двух стрессовых факторов обычно приводит к печальным для растений последствиям. Однако, если повысить текучесть мембран путем трансформации дополнительным геном десатуразы, то такие растения становятся устойчивыми к низким температурам и на ярком свету.
Наши эксперименты последних лет на картофеле в принципе подтвердили то же самое — дополнительные ненасыщенные жирные кислоты приводят к большей холодоустойчивости растений. Существуют и другие механизмы, с помощью которых можно придать растениям свойства холодоустойчивости. Например, можно искусственно усилить синтез осмолитов, например, глицин-бетаина. Эта стратегия дала начало многим трансгенным стресс-устойчивым линиям томатов, вишни, риса, хлопка, кукурузы и т.д. В принципе, в идеале было бы хорошо, чтобы в результате трансформации растения каким-то одним геном менялся не один признак, а их совокупность, и растение становилось бы устойчиво не только к холоду, но и к каким-то другим неблагоприятным условиям внешней среды. Это очень важно для сельского хозяйства.
У нас в стране до недавнего времени нельзя было на полях высевать трансгены, но сейчас ы, согласно которым что-то уже можно делать и на полях. Я не призываю никого высаживать трансгены открытым способом. С другой стороны — зачем получать устойчивые трансгены, если их некуда потом применить? Наша экспериментальная работа связана с получением мутантов и трансгенов в лабораторных условиях. Без направленных мутаций и трансгенеза невозможно выявить функции отдельных генов или регуляторных событий, невозможно понять принципов работы компонентов живых систем, подобных вышеописанной системе десатурации, направленной на адаптацию биологических мембран к меняющимся температурам.
Что же касается практики, то дело идет к тому, что еды человечеству будет не хватать. Поэтому лучше уже сейчас подумать о том, как повышать урожайность, как сделать сорта, устойчивые к неблагоприятным условиям. Природа делала это на протяжении миллионов лет путем эволюции и селекции. У нас столько времени, к сожалению, нет. Поэтому мы должны прилагать усилия, чтобы получать фундаментальные знания о принципах работы и регуляции различных биологических систем. Эти знания пригодятся, в том числе, и для получения растений с заданными свойствами с применением генно-инженерных методов. При этом, конечно, не стоит забывать и о проблемах биобезопасности.
