Обнаружен растительный «термометр», запускающий весеннее распускание почек, измеряя ночную температуру
Международная команда учёных под руководством Кембриджского университета обнаружила молекулу-«термометр», которая позволяет растениям развиваться в соответствии с сезонными изменениями температуры.
Исследователи выяснили, что молекулы фитохромов, используемые растениями для обнаружения света днём, в темноте меняют свою функцию, становясь клеточными датчиками температуры, измеряющими ночное тепло.
Новые данные, опубликованные в журнале Science, показывают, что фитохромы контролируют генетические переключатели в ответ как на свет, так и на температуру, определяя развитие растения.
Ночью эти молекулы меняют своё состояние, и скорость, с которой они это делают, «прямо пропорциональна температуре», — говорят учёные, сравнивая фитохромы с ртутью в термометре. Чем теплее, тем быстрее происходит молекулярное изменение — стимулируя рост растений.
Фермеры и садоводы сотни лет знали, насколько растения чувствительны к температуре: тёплые зимы заставляют многие деревья и цветы распускаться раньше времени, что люди давно используют для предсказания погоды и сроков урожая на предстоящий год.
Последнее исследование впервые определяет молекулярный механизм в растениях, который реагирует на температуру, — часто запуская те весенние почки, которые мы с нетерпением ждём в конце зимы.
Поскольку погода и температура из-за изменения климата становятся всё более непредсказуемыми, исследователи говорят, что открытие того, что эта светочувствительная молекула «подрабатывает» внутренним термометром в растительных клетках, может помочь нам вывести более устойчивые сельскохозяйственные культуры.
«По оценкам, к 2050 году урожайность сельского хозяйства должна удвоиться, но изменение климата — главная угроза для таких целей. Ключевые культуры, такие как пшеница и рис, чувствительны к высоким температурам. Тепловой стресс снижает урожайность примерно на 10% на каждый градус повышения температуры», — говорит ведущий исследователь доктор Филип Уигге из лаборатории Сэйнсбери в Кембридже.
«Обнаружение молекул, которые позволяют растениям чувствовать температуру, может ускорить выведение культур, устойчивых к тепловому стрессу и изменению климата».
В активном состоянии молекулы фитохрома связываются с ДНК, ограничивая рост растения. Днём солнечный свет активирует молекулы, замедляя рост.
Если растение оказывается в тени, фитохромы быстро инактивируются, позволяя ему расти быстрее, чтобы снова найти солнечный свет. Так растения конкурируют, чтобы выйти из тени друг друга. «Изменения активности фитохрома, вызванные светом, происходят очень быстро, менее чем за секунду», — говорит Уигге.
Однако ночью всё иначе. Вместо быстрой деактивации после захода солнца молекулы постепенно меняются из активного в неактивное состояние. Это называется «темновой реверсией».
«Подобно тому, как поднимается ртуть в термометре, скорость, с которой фитохромы возвращаются в неактивное состояние в течение ночи, является прямой мерой температуры», — говорит Уигге.
«Чем ниже температура, тем медленнее фитохромы возвращаются к неактивности, поэтому молекулы проводят больше времени в своём активном, подавляющем рост состоянии. Вот почему растения медленнее растут зимой.
«Тёплые температуры ускоряют темновую реверсию, так что фитохромы быстро достигают неактивного состояния и отсоединяются от ДНК — позволяя генам экспрессироваться, а росту растений — возобновляться».
Уигге полагает, что температурное восприятие фитохромов развилось позже и использовало уже существующую биологическую сеть, задействованную в светозависимом росте, в «простой» ночной период.
Некоторые растения в основном используют продолжительность дня как индикатор сезона. Другие виды, такие как нарциссы, обладают значительной температурной чувствительностью и могут зацвести на месяцы раньше во время тёплой зимы.
Фактически, открытие двойной роли фитохромов даёт научное объяснение известной рифме, долго использовавшейся для предсказания предстоящего сезона: «Если дуб перед ясенем — будет брызгать, если ясень перед дубом — промокнем мы».
Уигге объясняет: «Дубы в гораздо большей степени полагаются на температуру, вероятно, используя фитохромы как термометры для определения развития, тогда как ясени полагаются на измерение длины дня для определения своего сезонного времени.
«Более тёплая весна и, следовательно, более высокая вероятность жаркого лета приведут к тому, что дуб распустится раньше ясеня. Холодная весна даст обратный результат. Как британцы знают слишком хорошо, более холодное лето, скорее всего, будет дождливым».
Новые выводы стали кульминацией двенадцати лет исследований с участием учёных из Германии, Аргентины и США, а также команды из Кембриджа. Работа была выполнена на модельной системе — горчичном растении Arabidopsis, но Уигге говорит, что гены фитохромов, необходимые для температурного восприятия, есть и у сельскохозяйственных культур.
«Современные достижения в генетике растений теперь означают, что учёные могут быстро идентифицировать гены, контролирующие эти процессы у сельскохозяйственных культур, и даже изменять их активность с помощью точных молекулярных „скальпелей“», — добавляет Уигге.
«Кембридж исключительно хорошо подходит для такого рода исследований, поскольку у нас есть выдающиеся коллеги поблизости, которые работают над более прикладными аспектами биологии растений и могут помочь нам перенести эти новые знания в поле».