Как растения справляются с холодным светом дня и почему это важно для будущих урожаев
Исследователи из Центра Джона Иннеса обнаружили новый механизм, помогающий растениям переносить холод. Он контролируется их биологическими часами и особенно важен в холодные и яркие утренние часы.
В чём опасность холодных утр?
Холодные температуры могут повредить клетки растений, особенно в сочетании с ярким светом или при заморозках. Именно поэтому холодные солнечные утра так опасны для фотосинтезирующих растений.
Ключевое открытие: сигма-фактор SIG5
Учёные выяснили, как информация о низких температурах передаётся в хлоропласты — органеллы, где происходит фотосинтез. Фокус исследования был на генетическом наследии хлоропластов, оставшемся от их бактериальных предков, — сигма-факторе SIG5.
- Эксперименты в контролируемых лабораторных условиях показали, что чувствительность гена SIG5 к холоду ранним утром находится под контролем циркадных (суточных) ритмов растения.
- Теория: SIG5 действует как часть сигнальной сети, связывающей ядро клетки с хлоропластами. Эта сеть регулирует процессы, защищающие растение от вредного воздействия среды.
Как работает механизм?
«Если температура низкая, некоторые ферменты, участвующие в фотосинтезе, быстро разрушаются, — объясняет профессор Энтони Додд. — Мы полагаем, что процесс, контролируемый ядром, посылает сигнал в хлоропласт, чтобы произвести больше этих белков. Когда растение одновременно ощущает холод и свет, ему необходимо включить эту сигнальную цепь».
Роль биологических часов заключается в том, чтобы действовать как «ворота», пропускающие или блокирующие сигнал — процесс, известный как циркадное стробирование.
Эволюционный смысл и значение для сельского хозяйства
Растения, вероятно, эволюционно развили особую чувствительность к сочетанию света и холода (как весенним утром), так как именно эти условия повреждают фотосинтетическую систему.
Это открытие представляет интерес для селекции устойчивых к климату культур:
- Зимние культуры, такие как пшеница и рапс, уже испытывают периоды холода.
- Данный механизм может стать мишенью для точной селекции, направленной на повышение устойчивости фотосинтеза к низким температурам.
- В перспективе это может позволить выращивать менее холодостойкие культуры (например, кукурузу) в более северных широтах.
Исследование проведено в сотрудничестве Центра Джона Иннеса, Бристольского университета, Токийского технологического института, Nippon Telegraph and Telephone Corporation и Даремского университета.
Статья «Low-temperature and circadian signals are integrated by the sigma factor SIG5» опубликована в журнале Nature Plants.