Новаторские полевые эксперименты проливают свет на биологические часы в природе
Большая часть наших знаний о циркадных ритмах растений получена в лабораторных экспериментах, где такие факторы, как свет и температура, можно строго контролировать.
Меньше известно о том, как эти механизмы биологического отсчёта времени работают в более непредсказуемых естественных условиях, для адаптации к которым они и эволюционировали.
Пионерское совместное исследование учёных из Великобритании и Японии помогло исправить этот дисбаланс. Серия инновационных полевых экспериментов показала, как растения комбинируют сигналы своих часов с экологическими стимулами в естественных условиях с колеблющимися параметрами.
Исследовательская группа из John Innes Center, Kyoto University и The Sainsbury Laboratory, Cambridge создала статистические модели на основе этих полевых исследований. Они могут помочь предсказать, как растения, включая основные сельскохозяйственные культуры, будут реагировать на будущие изменения температуры.
"Наше исследование подчёркивает ценность международного сотрудничества для междисциплинарного научного прогресса", — сказал старший автор, профессор Антони Додд из John Innes Center. — "Захватывающе видеть, как процессы, которые мы определили в лаборатории, также работают и влияют на растения в естественных условиях".
Профессор Хироши Кудох из Kyoto University отметил: "Любая живая система эволюционировала в контексте своей естественной среды обитания. Предстоит огромная работа по оценке функции генетических систем в естественных условиях. Это исследование было задумано как одно из начал такого начинания".
В предыдущем исследовании группы профессора Додда был идентифицирован генетический путь, контролируемый биологическими часами, который защищает фотосинтезирующие растения от повреждения клеток в условиях яркого холода.
В настоящем исследовании "Circadian and environmental signal integration in a natural population of Arabidopsis", опубликованном в PNAS, команда поставила цель обнаружить этот же механизм в природе, опираясь на обширные исследования "in natura", проведённые под руководством профессора Хироши Кудоха.
В ходе двух полевых исследований в периоды мартовского и сентябрьского равноденствий учёные проанализировали естественную популяцию растений Arabidopsis halleri на полевом участке в сельской местности Японии.
Они отслеживали, как экспрессия генов у растений менялась в течение 24-часовых циклов по мере изменения света и температуры.
Эксперименты включали извлечение RNA из растений каждые два часа, заморозку образцов и их последующий анализ в лаборатории для отслеживания уровней экспрессии генов в тканях.
Команда также создала оборудование, позволяющее манипулировать температурой вокруг растений. Это позволило воспроизвести условия, созданные в лаборатории в предыдущем исследовании.
Поскольку растения высокочувствительны к красному и синему свету, исследователи, чтобы не влиять на результаты экспериментов, использовали зелёные фильтры на налобных фонарях во время ночных визитов. Этот свет был практически невидим для растений.
"Удивительно, как трудно разглядеть зелёные растения с зелёным налобным фонарём посреди ночи под проливным дождём", — отметил профессор Додд.
На основе информации, собранной из образцов, исследователи наблюдали закономерности в экспрессии генов ранее открытого генетического пути, который интегрирует информацию от циркадных часов растения с сигналами света и температуры.
Собранные данные показали, что растения в диких популяциях демонстрируют ту же чувствительность к холодным и ярким условиям на рассвете, что и ранее наблюдалось в лабораторных экспериментах.
На основе этой информации команда разработала статистические модели, которые точно предсказывают, как активность экспрессии генов, контролируемая циркадными часами, будет реагировать на экологические сигналы в течение дня в естественных условиях.
"Мы считаем, что это первый случай, когда кто-либо смоделировал целый сигнальный путь циркадных часов у растений, растущих на открытом воздухе", — сказал профессор Додд. — "Если мы сможем создавать модели, точно предсказывающие экспрессию генов в зависимости от условий окружающей среды, то, возможно, удастся вывести растения, способные адаптироваться к будущим климатическим условиям".
Доктор Харуки Нишио из Shiga University, один из первых авторов исследования, сказал: "Гибкость байесовского моделирования временных рядов позволила нам распутать сложную интеграцию сигналов в естественной среде. Этот подход оказался особенно эффективным для исследований, проводимых в сложных условиях окружающей среды".
Это исследование изучало реакции растений на уровне экспрессии генов. Следующим этапом будет применение созданных статистических моделей к функциям физиологии растений, таким как скорость фотосинтеза или адаптация к температуре.
Доктор Дора Кано-Рамирес, исследователь циркадных ритмов из The Sainsbury Laboratory Cambridge University и также первый автор исследования, добавила: "Циркадные часы регулируют многие ключевые процессы растений, как показано в лабораторных условиях. Однако до сих пор мы не знали, в какой степени эти процессы проявляются в полевых условиях. Понимание того, как циркадно-регулируемые процессы согласуются с колеблющейся средой путём моделирования этого сигнального пути, может быть полезным для прогнозирования реакций растений во всё более непредсказуемом климате".