Как растения «чувствуют» повышение температуры
Растения чрезвычайно чувствительны к температуре и могут воспринимать изменения всего в один градус Цельсия. Исследование, опубликованное 8 января в журнале Cell, показывает, как они не только «чувствуют» потепление, но и координируют соответствующий ответ — активируя сотни генов и деактивируя другие. Оказалось, всё дело в упаковке их ДНК.
Эти открытия могут помочь объяснить, как растения отреагируют на изменение климата, и дать учёным новые возможности для создания сельскохозяйственных культур, более устойчивых к тепловому стрессу.
«Мы обнаружили главный регулятор всего температурного транскриптома», — заявил Филип Уигге из Центра Джона Иннеса (Великобритания), имея в виду тысячи генов, активность которых меняется в тёплых и прохладных условиях.
Используя модельное растение Arabidopsis thaliana, исследователи показали, что ключевым компонентом температурной чувствительности растений является специализированный гистоновый белок H2A.Z. Он упаковывает ДНК в более плотную структуру — нуклеосому. Уигге сравнивает нуклеосомы с туго смотанными клубками нити. По мере роста температуры гистоны H2A.Z позволяют ДНК постепенно разматываться, что приводит к ослаблению нуклеосом.
«Когда становится теплее, ДНК разворачивается», — объясняет он, что позволяет одним генам включаться, а другим — выключаться. Точный механизм этого процесса ещё не ясен, но Уигге предполагает, что изменение структуры нуклеосом открывает доступ к участкам ДНК, где могут связываться активаторы одних генов и репрессоры других.
Исследователи пишут: «Помимо того, что нуклеосомы, содержащие H2A.Z, имеют более плотно упакованную ДНК, наши результаты позволяют предположить, что степень её разворачивания также может реагировать на температуру. Это указывает на прямой механизм влияния температуры на экспрессию генов, поскольку было показано, что РНК-полимераза II [фермент, отвечающий за транскрипцию ДНК в матричную РНК] не активно внедряется в нуклеосомы, а ждёт локального разворачивания ДНК, прежде чем продолжить транскрипцию. Таким образом, гены с приостановленной РНК-полимеразой II будут демонстрировать усиление транскрипции при повышении температуры по мере увеличения локального разворачивания».
Это фундаментальное открытие может иметь важные последствия для глобальной продовольственной безопасности. По словам Уигге, с ростом населения и благосостояния «прогнозируется, что мировому сельскому хозяйству придётся увеличить урожайность на 70–100% в следующие 100 лет. В условиях изменения климата будет сложно просто сохранить нынешние показатели, не говоря уже об их увеличении». Такие культуры, как пшеница, особенно уязвимы к очень жаркому и засушливому лету, о чём свидетельствует недавнее падение её запасов до самого низкого уровня за 30 лет.
Новое понимание температурной чувствительности растений может оказаться критически важным для выведения более устойчивых к температуре культур. Команда Уигге планирует изучить эту возможность, исследуя роль гистонов H2A.Z в модельном растении, более близком к сельскохозяйственным культурам.
«Мы хотели бы создать растение, в котором мы сможем контролировать гистоны в определённых тканях так, чтобы оно было избирательно «слепо» к разным температурам, — говорит учёный. — Очевидно, нельзя сделать полностью невосприимчивое к температуре растение, но есть много возможностей для разработки культур, более устойчивых к высоким температурам, которые мы будем испытывать всё чаще».