Новые данные о том, как фитохромы помогают растениям чувствовать и реагировать на свет и температуру

Растения содержат несколько типов специализированных светочувствительных белков, которые измеряют свет, меняя форму при его поглощении. Главные среди них — фитохромы.

Фитохромы помогают растениям определять направление, интенсивность и продолжительность света; время суток; начало, середину или конец сезона; и даже цвет света, что важно для избегания тени от других растений. Примечательно, что фитохромы также помогают растениям определять температуру.

Новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе помогает объяснить, как несколько фитохромов, присутствующих в каждом растении, по-разному реагируют на интенсивность света и температуру. Это позволило наземным растениям колонизировать планету миллионы лет назад и адаптироваться к широкому спектру наземных сред.

Новая работа из лаборатории Ричарда Д. Виерстры опубликована на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Впервые биологи полностью охарактеризовали семейство фитохромов у модельного растения Arabidopsis thaliana на биохимическом уровне.

Ученые также расширили эту характеристику на фитохромы двух важных продовольственных культур: кукурузы и картофеля. Вместо того чтобы обнаружить идентичность всех изоформ фитохрома, они нашли удивительные различия.

"Основным препятствием к пониманию того, как фитохромы направляют большинство аспектов роста и развития растений, было определение того, как родственные изоформы работают совместно и уникально для регулирования конкретных клеточных процессов", — сказал Виерстра.

Растения обычно экспрессируют три или более фитохромов. Было хорошо известно, что растения могут реагировать на широкий диапазон интенсивности света, но другие факторы, такие как уровень экспрессии и сигнальный потенциал, считались вероятными причинами.

"Теперь мы знаем, что различные биофизические свойства изоформ также лежат в основе уникального сигнального потенциала внутри семейств фоторецепторов фитохромов растений", — сказал Виерстра. "Эти свойства очевидны в семействах Phy у растений от Arabidopsis до кукурузы и картофеля, что указывает на их очень раннее появление в эволюции фитохромов".

Более глубокое понимание этих белков позволит ученым использовать фитохромы в качестве инструментов как в сельском хозяйстве, так и для исследований в области оптогенетики, которая использует фитохромы для точного контроля клеточных событий просто путем освещения.

"Поразительно, насколько по-разному два основных фитохрома Arabidopsis реагируют на различные уровни света, где низкие уровни света, подобные густой тени, могут почти полностью активировать изоформу PhyA, в то время как изоформе PhyB требуется почти полное солнце для полной активации", — сказал Закари Ганнам, соавтор исследования.

Результаты также показывают, почему PhyB может играть наибольшую роль в том, как растения ощущают температуру — что станет еще более важным в условиях потепления мира.

"Борьба растения за выживание чужда нам. Они укоренены на месте и должны адаптироваться к своей непосредственной среде или погибнуть", — сказал Э. Сет Берджи, соавтор исследования.

"Градуированные реакции на свет важны для поддержания роста растений под соответствующим контролем по мере адаптации к окружающей среде", — продолжил он. "Они, вероятно, неотъемлемы для обнаружения увеличения или уменьшения светового дня, чтобы позволить цветению и образованию семян в правильный сезон".

В ближайшие месяцы исследователи планируют модифицировать и выращивать растения, проявляющие различные вариации и комбинации фитохромов, включенных в это лабораторное исследование, с целью изменения свето- и температурной чувствительности сельскохозяйственных культур для пользы сельского хозяйства.