Растения с часовым механизмом

Как растения определяют время и смену сезонов? Ученые-ботаники привлекают инженеров, чтобы раскрыть ритмы циркадных часов.

С тех пор как французский ученый Жан-Жак де Меран в 1700-х годах обнаружил, что движение листьев подчиняется 24-часовому циклу, наше понимание встроенных часов, по которым живут растения и животные, растет. «Циркадные» часы важны для поддержания ритмов жизни и эволюционировали независимо как минимум четыре раза: у цианобактерий, грибов, животных и растений. Рассогласование часов с окружающей средой имеет негативные последствия — хорошо знакомые тем, кто испытывал неприятное чувство дезориентации при «джетлаге», когда пересечение часовых поясов нарушает работу циркадной системы.

Растения, буквально привязанные к месту, используют свои циркадные часы для адаптации к суточным циклам света и температуры, вызванным вращением Земли, будь то подготовка к дневному фотосинтезу или предотвращение ночной потери воды. Сезонные события, такие как плодоношение и листопад, также регулируются часами. Углубление понимания молекулярных механизмов имеет широкие последствия: от возможности селекционной селекции сельскохозяйственных культур до повышения продуктивности экосистем и контроля уровня атмосферного CO₂.

Доктор Алекс Уэбб и его коллеги доктора Энтони Додд и Майкл Гарднер из Департамента наук о растениях работают над пониманием сложных процессов суточных часов растений. Недавние открытия приняли неожиданный поворот, выиграв от применения инженерных принципов в рамках совместного проекта с доктором Жорже Гонсалвешем из Департамента инженерии. Исследование, финансируемое в основном Советом по биотехнологическим и биологическим исследованиям (BBSRC) и Советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), объединяет инженерную теорию управления и биологию растительной клетки, в результате чего разрабатываются новые инструменты для понимания осциллирующих биологических систем.

Регуляция ритма

Циркадные часы, состоящие из 10–20 генов, которые образуют взаимосвязанные петли обратной связи экспрессии генов, присутствуют в каждой клетке растения. Инициируемые изменениями света и температуры, эти связанные петли экспрессии генов контролируют огромную часть биологии растений: растения растут ритмично, с ритмами метаболизма и даже ритмами фотосинтеза, и треть всех генов растений включается и выключается в течение 24-часового цикла.

Как активность столь малого числа генов может оказывать такое всеобъемлющее влияние на биологию растений? Оказывается, ключевую роль играет уровень кальция — важного регулятора клеточных событий у всех организмов. В растительных клетках его концентрация повышается и понижается с 24-часовым ритмом, управляемым циркадными часами растения.

Доктор Уэбб и коллеги обнаружили, что причиной изменения ритмов кальция является молекула под названием циклический АДФ-рибоза (cADPR). Изучая резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), исследователи выяснили, что концентрация cADPR регулируется генами циркадных часов, а колебания уровня кальция вызваны связыванием cADPR с белковыми каналами во внутренних мембранах растительных клеток, что позволяет кальцию проникать в живую часть клетки.

Петли внутри петель

Следующее открытие стало неожиданностью: не только cADPR регулируется циркадными генами, но и многие регулируемые циркадными часами гены сами регулируются cADPR. Это привело к интригующей гипотезе: гены часов вызывают 24-часовые колебания как cADPR, так и кальция, которые, в свою очередь, регулируют уровень активности генов часов как часть новой петли в циркадных часах растения — своего рода петля внутри петли. Проблема заключалась в том, как проверить эту гипотезу.

Здесь навыки инженеров позволили добиться прогресса, которого нельзя было достичь с помощью одних лишь биологических методов. Создав математические модели того, как может вести себя циркадная система растения, они смогли сравнить эти симуляции с поведением генетически модифицированных растений с измененным уровнем cADPR. Результаты, опубликованные в декабре в журнале Science, демонстрируют существование этой петли обратной связи.

Быстрый и медленный ход

Одна интригующая особенность этих открытий заключается в том, что, вмешиваясь в передачу сигналов cADPR, можно заставить часы растения идти быстрее или медленнее. Доктор Уэбб и профессор Эндрю Миллар из Эдинбургского университета обнаружили, что мутантные лабораторные линии растений с быстрыми или медленными часами вырастают вдвое меньше соседей с правильно функционирующими часами. Примечательно, что при помещении в искусственные циклы свет/темнота, соответствующие «ожиданиям» мутантных часов, мутантные растения росли лучше, чем нормальные здоровые растения. Таким образом, кажется, что соответствие часов местным условиям продолжительности светового дня может благоприятно влиять на рост растений.

Возможность заставить часы растения идти быстрее при коротком световом дне или медленнее при длинном может открыть интересные перспективы в селекции сельскохозяйственных культур для биоэнергетики и повышения урожайности. Возможно, это стало случайным результатом селекции ячменя фермерами тысячи лет назад, когда они начали продвигать эту культуру дальше на север, где летний световой день длиннее. Совместно с коллегами из Национального института сельскохозяйственной ботаники в Кембридже доктор Уэбб исследует циркадные часы различных сортов ячменя, чтобы проверить, так ли это.

Новые математические инструменты

Тем временем сотрудничество между инженерами и биологами растений продолжается. Одним из побочных результатов стала разработка новых типов математических инструментов для понимания сложных систем.

Инструменты, используемые инженерами по теории управления, были очень успешны в проектировании множества технологических систем — от простого круиз-контроля для поддержания скорости автомобиля до более сложных систем, позволяющих летать inherently unstable aeroplanes. Однако, глядя на биологию, ясно, что для анализа биологических систем необходимы новые математические инструменты. Эти системы чрезвычайно сложны, динамичны в пространстве и времени, имеют множество компонентов, которые часто используются для выполнения нескольких задач, часто включают обратную связь с явно нелинейным поведением и, что, пожалуй, самое сложное, биологические данные, как правило, дороги, требуют много времени для получения и зашумлены. Чтобы справиться со сложностью биологических систем, инженеры доктор Гонсалвеш и доктор Гай-Барт Стэн разрабатывают новые теоретические математические подходы для изучения таких сложных нелинейных систем. Поскольку сотрудничество между биологами, инженерами и математиками становится более распространенным, мир биологии меняется. Меняются и инженерные департаменты: все чаще инженеры обращают свой опыт к биологическим системам, таким как рост растений, экспрессия генов, рак, когнитивные функции и биение сердца.

Предоставлено: University of Cambridge (news : web)