На Земле существуют растения, которые выживают при экстремально низких температурах, хорошо чувствуют себя в пустынях и на солончаках, а также способны вырасти в достаточно агрессивной среде. Такие свойства фотосинтетиков могут быть полезными при колонизации Марса или Луны.
Представители растительного мира облюбовали на Земле не только теплые, влажные и комфортные условия существования, но и самые суровые и абсолютно недружелюбные уголки нашей планеты. Фотосинтетические организмы приспособились к сухим, холодным, жарким местам с высокой соленостью и минимальным количеством микроэлементов. Экстремальный холод Антарктиды, широкий диапазон колебания температур и сильная засуха пустынь, засоленные почвы совершенно не пугают различные виды сосудистых растений. Например, вид Thellungiella halophila (капустоцветные) прекрасно выдерживает экстремальный холод (до -19 °С), засуху и соленость (концентрация соли 100-500 мМ). Это растение-экстремофил растет на щелочных солончаках на территории Юкон в Канаде. Биотоп характеризуется полузасушливым климатом с очень коротким вегетационным периодом (период роста и развития растений). Вечномерзлые почвы насыщены карбонатом кальция, сульфатом магния и хлоридом натрия, а еще есть дефицит необходимых для растения макроэлементов. Два вида сосудистых растений, а именно — Deschampsia antarctica (луговик антарктический, злаковые) и Colobanthus quitensis (колобантус кито, гвоздичные) обитают в Антарктике.
Исследование механизмов устойчивости растений-экстремофилов может иметь практическое применение. Как известно, абиотические стрессы (засуха, колебания температур, дефицит элементов, солевой и водный стрессы и т.д.) резко снижают урожайность сельскохозяйственных культур, что может представлять угрозу продовольственной безопасности. К тому же по прогнозам ООН, к 2050 году прирост населения достигнет 9,7 млрд человек, и спрос на сельскохозяйственную продукцию в мире увеличится вдвое. Эта проблема, скорее всего, будет усугублена изменениями климата в будущем. В дополнение деградация экосистем из-за чрезмерного выпаса скота или несоответствующего управления орошением привела к сокращению площадей, пригодных для выращивания сельскохозяйственных культур. Поэтому изучение растений-экстремофилов позволит применить их механизмы устойчивости для сельскохозяйственных культур и расширить сельскохозяйственные угодья в засушливых районах и пустынях.
Некоторые растения способны переживать неблагоприятные условия в криптобиозе —- состоянии, при котором почти приостанавливаются все метаболические процессы организма, которые восстанавливаются после прекращения действия неблагоприятных факторов. Так, вспомним о мхах Bryum pseudotriquetrum и Sanionia uncinata из Антарктики (остров Аделаида), датированные XIV веком. Они выжили благодаря криптобиозу, находясь в течение шести веков под ледовым покровом, и успешно восстановили свою метаболическую активность.
Sanionia uncinata (F, H) после пребывания в течение шести веков в ледяной
ловушке.
Есть сообщения о выживании мхов и лишайников с помощью того же криптобиоза в лабораторных экспериментах Кейлина. Выжили фрагменты мхов и лишайников, которые были предварительно высушены и охлаждены до -273 °C и хранились около двух часов при температуре -272 °C. Регенерация мхов после криптобиоза была продемонстрирована в лабораторных опытах из гербария (высушенное состояние) и замороженного материала, который хранился до двадцати лет. Папоротники и покрытосеменные растения «оживали» после пяти лет пребывания в состоянии криптобиоза. Долговременный криптобиоз, продолжавшийся веками, описан для семян покрытосеменных растений, хотя всхожесть была получена только в лабораторных условиях с помощью клонирования и культивирования in vitro.
Интересный пример «воскрешения» растения Silene stenophylla (гвоздичные) из материнских тканей плодов позднего плейстоцена, сохранившихся в реликтовой вечной мерзлоте. Плоды растения были найдены на северо-востоке Сибири в норе ископаемой белки на глубине 38 м, где температура составляла -7 °C. Радиоуглеродное датирование показало возраст реликтовых плодов: 31 800 ± 300 лет. Невероятно, но древнее растение воссоздали с помощью использования культуры тканей in vitro и клонального микроразмножения. Регенерированные растения цвели и давали плоды!
Будущие перспективы явления криптобиоза, в частности исследования его механизмов, могут применять в медицине — для хранения органов и тканей с помощью криоконсервации; в сельском хозяйстве, чтобы сохранять сорта важных сельскохозяйственных культур; для сохранения биоразнообразия, а именно — зародышевой плазмы, эмбриогенных клеток голосеменных и покрытосеменных растений. А также для освоения космоса — речь о состоянии покоя во время космических путешествий, применение ангидробиоза (состояние криптобиоза, которое возникает при экстремальном обезвоживании) и криобиоза (при замораживании) для защиты организмов от воздействия космоса или экзопланетной среды.
Космические исследования уже проводились над высшими растениями. Вид Arabidopsis thaliana выращивали полностью в условиях микрогравитации на МКС. Интересно, что растения, выращенные в космосе, имели морфологические особенности, а именно — соцветия росли перпендикулярно к главному стеблю. Белковые включения «космических» семян были на 55% меньше, чем у выращенных на Земле. Однако содержание белка было лишь на 9% меньше, чем в контроле. Всхожесть «космических» семян была 92%, что свидетельствует о нормальном развитии семян в условиях микрогравитации.
В другом исследовании семена растений Arabidopsis thaliana и Nicotiana tabacum (табак) проращивали после полутора лет экспозиции за пределами МКС (рис. 9). Там действовал спектр экстремальных космических факторов, в частности УФ-излучение, галактическое космическое излучение, колебания температуры, космический вакуум и тому подобное. Из 2100 семян только 23% дали жизнеспособные растения после возвращения на Землю. Наибольшая степень выживания была у табака (44%).
Другим исследованным объектом в космосе был род мха Grimmia. Во время миссии европейского космического агентства EXPOSE-R2 на МКС провели эксперимент BIOMEX (Biology and Mars Experiment), в котором исследовалось возможное заселение Марса и изучение границ жизни. В эксперименте были смоделированы различные комбинации абиотических космических и марсианских условий для анализа устойчивости ряда модельных организмов, в частности экстремальные температуры (-25 °C до +60 °C), вакуум и марсианское поверхностное ультрафиолетовое излучение в различных атмосферах. Опыты показали, что УФ-излучение (200-400 нм) с максимальной дозой 5 и 6,8х105 кДж/м² было единственным стрессом для мха рода Grimmia. Негативное влияние на жизнеспособность проявлялось в уменьшении фотосинтетической активности на 37% (земная атмосфера) и на 36% (космическая и марсианская атмосферы). При каждом воздействии УФ-излучения (200-400 нм) в дозе 105 кДж/м² жизнеспособность мха падала на 6%. Впрочем, интересно, что никаких других факторов стресса для растения не было обнаружено, что свидетельствует о высокой устойчивости рода Grimmia к экстремальным абиотическим факторам.
Научиться выращивать растения в космосе является ключевой целью для обеспечения долговременных космических миссий. Ведь рост урожая в условиях миссии поможет с регенерацией воздуха, производством пищи и рециркуляцией воды. Растения — одни из главных претендентов среди живых организмов для будущих космических миссий! Достаточно вспомнить, что именно зеленые фотосинтетические организмы внесли колоссальный вклад в изменение атмосферы древней Земли, выделяя кислород. Вероятно, это пригодится во время длительных космических миссий. Однако не следует забывать и о «зеленых легких» Земли! Что, как не леса и океанический фитопланктон (микроскопические водоросли и цианобактерии), насыщает кислородом нашу планету? Поэтому защитим этих зеленых друзей, а возможно, и посадим хотя бы одно дерево.
Автор: исследователь Национального антарктического научного центра МОН Украины, Анна Березкина.
Эта статья была опубликована в №6 (187) 2021 года журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной или бумажной версии можно в нашем магазине.
