Как изменение климата меняет рост растений

Глобальное потепление влияет не только на биоразнообразие растений — оно даже изменяет способ их роста. Команда исследователей из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU) совместно с Институтом биохимии растений им. Лейбница (IPB) обнаружила, какие молекулярные процессы участвуют в росте растений. В журнале Current Biology группа представляет свои последние данные о механизме, контролирующем рост при высоких температурах. В будущем это может помочь в выведении растений, адаптированных к глобальному потеплению.

Растения реагируют на колебания температуры гораздо чувствительнее, чем животные. Они также не могут искать более теплые или прохладные места. «При повышении температуры растения становятся выше, чтобы охладиться. Их стебли удлиняются, а листья становятся уже и располагаются дальше друг от друга. Однако это делает растение в целом менее устойчивым», — объясняет профессор Марсель Квинт, специалист по сельскому хозяйству в MLU. Это заметно, например, во время сбора урожая зерновых. Неустойчивые растения быстрее сгибаются под дождем и в целом производят меньше биомассы. Также снижается доля ключевых веществ, таких как белки, которые могут накапливаться в зерне.

«Хотя связь между температурой и ростом растений на макроуровне относительно хорошо изучена, на молекулярном уровне все еще остается много открытых вопросов. Мы только начинаем понимать, как растения обнаруживают изменения температуры и переводят их в конкретные реакции», — говорит Квинт. Более ранние исследования показали, что белок PIF4 напрямую контролирует рост растений и что этот белок также зависит от температуры. В холоде PIF4 менее активен — то есть растение не растет. При более высоких температурах PIF4 активирует гены, способствующие росту, и растение становится выше. «До сих пор было неясно, как растение понимает, когда активировать PIF4 и сколько его должно высвобождаться. В нашем понимании точного сигнального пути температурно-контролируемого роста были большие пробелы», — говорит Квинт.

Именно это и обнаружила исследовательская группа в Галле. Они изучили поведение при росте проростков модельного растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Обычно ее проростки образуют короткие стебли при 20 градусах Цельсия (68 °F). При 28 градусах (82.4 °F) эти стебли становятся значительно длиннее. В лаборатории ученые идентифицировали растения с генным дефектом, которые все еще формировали только короткие стебли при 28 градусах. Затем они искали возможные причины этого отсутствия роста. Они обнаружили гормон, который активирует ген PIF4 при высоких температурах, тем самым производя белок. Эта реакция не происходила у мутантных растений. «Мы теперь обнаружили роль этого особого гормона в сигнальном пути и нашли механизм, посредством которого процесс роста положительно регулируется при более высоких температурах», — объясняет Квинт. Исследование стало кульминацией научного проекта, который финансировался Немецким исследовательским фондом (DFG) до конца 2016 года и который теперь продолжит получать финансирование от DFG в рамках последующего проекта.

Результаты исследовательской группы из Галле могут помочь в будущем выводить растения, которые остаются устойчивыми даже при высоких температурах и способны давать достаточные урожаи. Для этого выводы фундаментальных исследований на модельных растениях сначала необходимо перенести на культурные растения, такие как злаки.