Как растения конкурируют за свет: учёные открыли новый механизм избегания затенения

Растения, растущие близко друг к другу, делают всё возможное, чтобы перехватить свет. Этот ответ "избегания затенения" был хорошо изучен. Поэтому особенно удивительно, что исследователи из лаборатории молекулярной биологии Вагенингенского университета открыли ещё один, совершенно новый механизм: важную роль гормона цитокинина.

Их исследование опубликовано в Nature Communications.

Растения в природе, в поле или теплице конкурируют друг с другом за свет, влагу и питательные вещества. Чем плотнее посадка, тем жёстче конкуренция. Но как они понимают, что им становится тесно?

"В густых посевах красный свет поглощается быстрее, чем дальний красный свет, который, наоборот, отражается. Соотношение красного к дальнему красному свету (R:FR) поэтому снижается с увеличением плотности. Растения 'видят' это через светочувствительный пигмент фитохром", — говорит профессор молекулярной биологии Рональд Пейрик.

Этот пигмент действует как переключатель: он может быть активным или неактивным. Соотношение R:FR, образно говоря, нажимает на кнопку. Это запускает целый каскад ответных реакций.

"При относительно высоком уровне дальнего красного света, как в густых посевах, стебли и черешки листьев удлиняются. Сами листья меняют положение с горизонтального на более вертикальное. Всё, чтобы возвыситься над соседями и перехватить больше света", — объясняет Пейрик.

Надземная и подземная конкуренция

Об этом ответе и механизмах, которые им управляют, уже многое известно. Однако растения конкурируют не только за свет, но и, например, за питательные вещества.

"Поэтому нужно рассматривать избегание затенения в совокупности с другими реакциями на конкуренцию. Это гораздо ближе к ситуации в поле. Эта линия мышления привела нашего постдока Пьера Готра к идее изучить надземную и подземную конкуренцию совместно. Один из вопросов был: может ли растение, если оно получает мало азота, всё ещё хорошо реагировать на дальний красный свет", — говорит учёный.

Цитокинин служит посланником

Для этого растущим тканям нужно знать, сколько азота доступно в почве. Они узнают об этом через сообщение, которое передаётся от корней к точкам роста. В данном случае посланником является гормон цитокинин. Этот гормон образуется в корнях и по сосудам перемещается в надземную часть. Если азота много, то и цитокинина будет много.

"Оказалось, что реакция избегания затенения подавляется при низком содержании азота. Однако мы показали, что растение можно обмануть. Если дать ему дополнительный цитокинин при низком азоте, то в ответ на дальний красный свет всё равно происходит существенный рост в длину. Впервые показано, что цитокинин играет роль в избегании затенения. Мы открыли новый механизм, что весьма примечательно, учитывая интенсивность предыдущих исследований", — отмечает Пейрик.

Ещё более удивительно то, что до сих пор цитокинин был известен как гормон, который подавляет рост в длину. "Оглядываясь назад, все опыты, на которых был основан этот вывод, проводились на проростках, выращенных в темноте. Этот ответ вы получаете только при выращивании на свету. И не на обычном белом свету, а только при избытке дальнего красного света", — поясняет он.

Ингибитор ингибирован

Исследователи также изучили, как этот механизм работает на генетическом уровне.

"Существуют специфические белки, которые подавляют чувствительность растения к цитокинину. Гены, кодирующие эти белки, сами подавляются под действием дальнего красного света. Другими словами, ингибитор ингибирован. И это как раз и стимулирует чувствительность. Это тоже очень новые данные", — говорит Пейрик.

Архитектура сельскохозяйственных культур может быть очень важна.

"Мы узнали это из Зелёной революции. Она привела к гораздо более высоким урожаям, потому что агрономы начали выращивать сорта риса и пшеницы, которые тратили меньше энергии на рост в длину и больше — на зерно. Такие новые знания могут помочь агрономам и фермерам добиться лучшей продуктивности у культур вроде ячменя, пшеницы, кукурузы и риса", — заключает учёный.