Циркадные часы задают темп роста растений

Исследователи из Центра исследований в области сельскохозяйственной геномики (CRAG) обнаружили, что белки семейства PRR, связанные с внутренними часами растений, действуют последовательно, чтобы ограничивать рост до конца ночи. Это может помочь понять, как растения справляются со стрессами, влияющими на их рост, например, с засухой или высокой температурой.

Растения, как и животные, имеют внутренние часы. Например, стебли Arabidopsis thaliana удлиняются непосредственно перед рассветом, когда дни короткие (зима). Известно, что это удлинение стебля у молодых проростков контролируется белками PIF, накопление которых зависит от солнечного света: свет способствует их деградации днём, а ночью они накапливаются и перед рассветом стимулируют рост.

Но почему молодой стебель растёт только перед рассветом, а не всю ночь? Ответ на этот вопрос начал проясняться в работе 2016 года, где было показано, что белок внутренних часов TOC1 (или PRR1) действует как «ворота» ночью, позволяя PIF действовать только в её конце.

Новое исследование той же группы, опубликованное в журнале Current Biology, расширяет эти результаты. Учёные обнаружили, что и другие компоненты того же белкового семейства часов — PRR (PRR1, PRR5, PRR7 и PRR9) — действуют последовательно в течение дня и большей части ночи, подавляя действие белков PIF.

Количество различных белков PRR колеблется последовательно в 24-часовых периодах. В конце ночи их общее количество в клетке достигает минимума, что позволяет действовать белкам PIF, которые из-за отсутствия света находятся на пике концентрации. Таким образом, хотя некоторые белки PIF обнаруживаются и в дневные часы, они не могут способствовать удлинению стебля до конца ночи, когда «ворота» открываются, что совпадает с оптимальными условиями влажности для роста.

«Наши результаты показывают, что регуляция роста растений эволюционировала, включив согласованное последовательное действие PRR. Это демонстрирует двойную роль PRR — как регуляторов центральных компонентов часов и как физиологических репрессоров роста», — объясняет Елена Монте.

CDF5: новый ключевой ген для роста стебля

В ходе работы авторы провели исчерпывающий анализ взаимодействий между белками и ДНК растения Arabidopsis thaliana. Этот анализ выявил, что ген CDF5 индуцирует рост стебля непосредственно перед рассветом.

Исследователи показали, что экспрессия гена CDF5 строго регулируется связыванием белков PIF (которые способствуют его экспрессии) и белков часов PRR (которые предотвращают его экспрессию). Таким образом, CDF5 накапливается специфически в фазу перед рассветом, когда он индуцирует клеточное удлинение и, как следствие, удлинение стебля.

Для проверки функции этих генов и белков учёные наблюдали за ростом растений арабидопсиса с мутациями в этих генах. Растения, утратившие один из генов семейства PRR (PRR7), росли длиннее, чем их дикие аналоги. То же самое происходило с растениями, у которых ген CDF5 был модифицирован так, чтобы он мог экспрессироваться в течение всех 24 часов, независимо от действия PIF и PRR.