Как растения страхуют свои риски?
В некоторых условиях семя не может точно знать, когда лучше всего прорасти.
Весной такие сигналы, как свет, температура и вода, могут указывать семенам на оптимальные условия для прорастания. Однако через неделю непредсказуемая засуха или заморозки могут погубить появившиеся всходы.
Как же растение обеспечивает, чтобы все его потомство не погибло одновременно из-за неблагоприятных условий после прорастания?
Есть свидетельства, что некоторые виды растений производят семена, которые прорастают в разное время, чтобы застраховать себя от этого риска. Многие виды производят семена, способные входить в состояние покоя и сохраняться в почве несколько лет, а некоторые также дают семена, прорастающие в разное время в течение одного сезона.
Это означает, что если произойдут губительные колебания среды, часть потомства растения выживет в виде семян, которые смогут прорасти в другое время.
Эта изменчивость во времени прорастания наблюдается даже у генетически идентичных семян, выращенных в одинаковой среде.
В сельском хозяйстве изменчивость времени прорастания может быть проблемой, когда необходимо собрать весь урожай одновременно. Вместо этого фермерам приходится отслеживать созревание культур, проводя замеры у множества отдельных растений, чтобы оценить лучшее время для сбора урожая.
Ученые из Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) использовали модельное растение резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), чтобы выяснить: что заставляет генетически идентичные семена прорастать в разное время?
«Мы уже знаем, что два растительных гормона — абсцизовая кислота (ABA), которая тормозит прорастание, и гибберелловая кислота (GA), которая его стимулирует, — взаимодействуют друг с другом, контролируя решение о прорастании. Но мы хотели понять, как это взаимодействие создает изменчивость во времени прорастания между семенами», — сказала доктор Кэти Эйбли, исследователь из SLCU и соавтор исследования, опубликованного в eLife.
«Измерив уровень изменчивости времени прорастания для сотен генетически различных линий Arabidopsis, мы смогли идентифицировать два участка ДНК (генетических локуса), которые контролируют, насколько изменчиво время прорастания. Оба локуса содержат гены, влияющие на чувствительность семян к ABA, и тестирование мутантов этих генов подтвердило, что они регулируют изменчивость времени прорастания».
Используя эту новую информацию, исследователи создали математическую модель сети ABA-GA, чтобы понять, как взаимодействие между ABA и GA может привести к тому, что партия идентичных семян будет иметь диапазон времени прорастания. Они хотели понять, как сеть может порождать разный уровень изменчивости.
«Мы обнаружили, что изменение чувствительности к ABA в модели воспроизводит экспериментальные распределения времени прорастания, которые мы наблюдали», — пояснил доктор Пау Формоса-Йордан, соавтор и ныне руководитель исследовательской группы в Институте селекции растений Макса Планка в Кёльне, Германия.
«В модели группы семян с более высокой чувствительностью к ABA прорастают более растянуто, потому что после посева каждое из этих семян полагается на стохастические флуктуации в сети ABA-GA для перехода из состояния непрорастания в состояние прорастания — это известно как бистабильное переключение. Однако семена с более низкой чувствительностью к ABA достигают состояния прорастания быстрее и синхроннее после посева, без необходимости в стохастических флуктуациях. Наша стохастическая модель предполагает, что бистабильный переключатель ABA-GA может генерировать изменчивость во времени прорастания, на которое влияют случайные колебания уровня гормонов».
Хотя исследователи ожидают, что существуют и другие генетические и биофизические эффекты, влияющие на изменчивость времени прорастания, их результаты показывают, что эта черта растений находится под генетическим контролем. Следовательно, высокую или низкую изменчивость времени прорастания можно целенаправленно отбирать в программах селекции сельскохозяйственных культур или для восстановления природных территорий с сильно изменчивой средой.