Как растения адаптируют форму тела к высокотемпературному стрессу

Биологи из Утрехтского университета описали новый молекулярный механизм, позволяющий растениям оптимизировать рост в условиях субоптимально высоких температур. Исследование предлагает перспективные направления для создания устойчивых к потеплению климата сельскохозяйственных культур, сохраняющих высокую урожайность при стрессовых высоких температурах окружающей среды. Результаты опубликованы 25 ноября в PNAS.

Многие культуры страдают от высоких температур: каждый градус Цельсия повышения температуры может привести к потере до 10% урожая. Это серьёзная проблема в условиях глобального потепления и растущего спроса на продовольствие. Однако многие виды растений могут менять форму стеблей и листьев, повышая устойчивость к высоким температурам. Этот процесс называется термоморфогенезом и приводит к «открытому плану строения» тела растения, что обеспечивает эффективное испарение, снижает прямое тепловое излучение солнца и улучшает рассеивание тепла за счёт циркуляции воздуха вокруг листьев. Таким образом, термоморфогенез способствует охлаждению и позволяет растению поддерживать оптимальный рост и продуктивность в неблагоприятных температурных условиях. Но многие современные сельскохозяйственные культуры утратили эту способность.

Термоустойчивые культуры

Создание термоустойчивых культур требует детального понимания того, как растения воспринимают высокую температуру и как переводят этот сигнал в корректировку роста. «Однако то, как растения обнаруживают температуру и какие молекулярные факторы способствуют термоморфогенезу, до сих пор плохо изучено», — объясняет руководитель международной группы исследователей Мартейн ван Зантен. «Мы обнаружили неизвестный молекулярный механизм, с помощью которого растения контролируют термоморфогенез, особенно у молодых проростков — наиболее чувствительного периода жизни растения к температуре окружающей среды. Эти новые элементы головоломки могут сделать разработку будущих термоустойчивых культур более эффективной».

В статье в PNAS исследователи показывают, что фермент гистондеацетилаза 9 (HDA9) играет ключевую роль в термоморфогенезе у модельного растения Arabidopsis thaliana. При повышении температуры количество этого фермента увеличивается, что приводит к удалению эпигенетических модификаций с гистоновых белков, связанных с ДНК. Эти модификации оказывают ингибирующее действие на синтез хорошо известного растительного гормона роста ауксина. В результате уровень ауксина повышается, и растение корректирует свой рост.

Рост растений

«Этот новый механизм научно очень интересен, поскольку показывает, что гистондеацетилаза 9 оказывает косвенное положительное влияние на транскрипцию, в то время как гистондеацетилазы обычно считаются супрессорами этого процесса», — говорит ван Зантен. «Кроме того, мы показываем, что HDA9 работает независимо от единственного известного температурного сенсора — фитохрома B, который также является световым сенсором. Тем самым мы выявляем новый температурный сигнальный путь у растений».

По мнению исследователей, это открытие предлагает интересные возможности для применения. «Мы показываем, что мутанты по HDA9 нарушены в способности корректировать форму тела при высоких температурах, но по-прежнему нормально реагируют на световые сигналы от соседних растений в густой растительности. Имея эти знания, мы теперь можем разделить светоконтролируемый рост растений и температурозависимые корректировки», — говорит ван Зантен. Таким образом, это исследование предлагает интересные отправные точки для разработки культур, устойчивых к потеплению климата, без ущерба для других желательных свойств.