Белковые дуэлянты формируют облик растений

Растения, следуя изящной хореографии, преобразуют сигналы окружающей среды в цветы, корни или ветви. В новой статье в Nature Communications биолог Дорис Вагнер и её коллеги раскрыли часть молекулярных механизмов, лежащих в основе этих вариаций архитектуры растений.

Две ключевые группы белков, влияющих на форму растения и время переходов в развитии, — это Terminal Flower 1 (TFL1), способствующий ветвлению (при его подавлении растут цветы), и Flowering Locus T (FT), который в ответ на сезонные сигналы (например, длину дня) стимулирует цветение. При этом два белка почти идентичны.

Манипуляции этими генами теоретически могут привести к новой «зелёной революции»: можно «обмануть» растение, заставив его цвести зимой при коротком дне, отредактировав TFL1, или, в регионах с длинным сезоном, увеличить ветвление и урожайность через FT. Пример селекции — детерминантные томаты с пониженной активностью TFL1, которые цветут и плодоносят одновременно, что удобно для сбора урожая.

Известно, что TFL1 и FT действуют противоположно, «настраивая» активность друг друга, но механизм их антагонизма оставался неясным. Изучать их было сложно, так как они присутствуют в низких концентрациях в ограниченном числе клеток.

В новом исследовании на модели Arabidopsis thaliana учёные выяснили, что TFL1 связывается с тысячами сайтов в ядре через транскрипционный фактор FD (сам TFL1 не может связываться с ДНК напрямую). Эти сайты соответствуют его роли в подавлении цветения и экспрессии генов.

Далее исследовали связь TFL1 и FT с геном LEAFY, ответственным за образование цветов. Мутация сайтов, где TFL1 регулирует LEAFY, привела к появлению белка LEAFY в частях растения, где присутствует TFL1. При этом LEAFY исчез из всех областей, где должны формироваться цветы. Это навело на мысль, что неизвестный фактор активирует LEAFY в цветочных частях через тот же сайт. Этим фактором оказался FT: усиление его экспрессии показало, что он, также связываясь с фактором FD, необходим для активации LEAFY и образования цветов.

Поскольку и FT, и TFL1 для действия требуют FD, учёные подтвердили их конкуренцию in planta: растения с нормальным FT в условиях, индуцирующих цветение, не цвели. «Это был сильный фенотип, который ясно показал, что FT и TFL1 конкурируют за сайт связывания с фактором FD», — говорит Вагнер.

TFL1 и FT мобильны и могут легко преобразовываться друг в друга. Вагнер планирует продолжать изучать их механизм действия, чтобы понять, как растения «настраивают» рост для адаптации к среде, включая реакцию на длину дня или тень. Также важно выяснить, как они контролируют столь разные процессы — образование цветов, луковиц или усиков.

Полученные данные имеют большой потенциал для селекции и сельского хозяйства: можно адаптировать культуры для высокогорья Гималаев или северных регионов с коротким днём. «Эти элементы могут даже сыграть роль в рациональных решениях для изменения климата, создании растений, специально приспособленных к новым условиям», — заключает Вагнер.