Пустыня Атакама — большая природная лаборатория стресса

В условиях изменяющегося климата получение сортов растений, устойчивых к засухе и недостатку питательных веществ, приобретает особое значение. Для лучшего понимания реакций растений на стресс чилийские и американские ученые исследовали виды, характерные для пустыни Атакама (Чили). Это самое сухое место на Земле, не считая арктических пустынь. Авторы собирали образцы растений и почвы, а также климатические данные в 22 точках. Эти точки располагались на линии от Талабре до лагуны Лехия; высота над уровнем моря двух соседних точек различалась на 100 метров. После этого ученые проанализировали геномы и транскриптомы 32 самых распространенных видов растений, а также почвенные микроорганизмы, ассоциированные с их корнями.

Климатические данные собирали в течение трех лет. Максимальная зафиксированная температура составляла 37,81⁰C, минимальная — -15,55⁰C. Также для пустыни характерны большие суточные перепады температур и высокий уровень солнечной радиации. Большая часть скудных осадков выпадала всего за несколько летних дней (с января по февраль). Почва на 82% состояла из песка и менее, чем на 1% — из органики.

В образцах почвы идентифицировали 10 143 бактериальных оперативных таксономических единиц (OTU), принадлежащих к 28 филумам. Из них 2252 OTU были выявлены только рябом с корнями, 45% принадлежали к Proteobacteria, 16% — к Bacteroidetes, 12% — к Actinobacteria, 11% — к Acidobacteria. Прикорневая зона была обогащена таким и родами, как Pseudomonas, Sphingomonas и Flavobacterium. Среди этих бактерий попадались виды, участвующие в фиксации азота, защите от патогенов и засухи, а также вырабатывающие растительные гормоны.

Для анализа растений РНК выделяли сразу из всех доступных на момент сбора тканей. У этих растений были высокие уровни экспрессии генов, связанных с устойчивостью к стрессам, таким как высокое содержание соли, оксидативный стресс, повреждение ДНК, жара и холод. У близкородственных видов наиболее широко представленные транскрипты по большей части совпадали.

Также провели эволюционный анализ. Сначала выявили виды, близкие к растениям Атакамы. Но растущие в других условиях. Затем провели филогеномный анализ. По сиквенсам ортологов идентифицировали генетические модификации, связанные с адаптацией к условиям пустыни. Всего выявили 265 генов с признаками положительного отбора. Большинство из них являются общими для большой части пустынных видов. Это гены устойчивости к высокому уровню солнечной радиации, температуре, патогенам и активным формам кислорода. Гены ДНК-репарации, фотосинтеза и формирования хлоропласт. Также признаки отбора были у генов, связанных с развитием цветка и регуляцией времени цветения, что особо важно из-за короткого периода роста растений, и формирования корневых волосков, необходимых для впитывания воды и питательных веществ.

Пустыня Атакама — гигантская лаборатория естественного происхождения. Она помогает ученым выявлять генетические основы адаптации растений к экстремальным условиям и специфичные адаптивные стратегии. Многие растения пустыни — близкие родственники основных сельскохозяйственных культур. Поэтому выявленные гены, связанные с адаптацией, могут указать пути изменения культурных растений для приспособления к новым условиям.