Учёные научились включать реакцию растений на свет

Учёные выяснили, как растения реагируют на свет, и научились переключать этот генетический "выключатель", чтобы стимулировать рост пищевых культур. Это открытие может помочь увеличить производство продовольствия для растущего населения при сокращении сельскохозяйственных площадей.

Исследование этого генетического переключателя, проведённое под руководством Калифорнийского университета в Риверсайде (UC Riverside), опубликовано в журнале Nature Communications.

Почти каждый аспект роста и развития растений зависит от света. Растения способны чувствовать свет, а также температуру, с помощью белка фитохрома B. Этот белок передаёт световую информацию в клетку, что изменяет экспрессию генов и рост растения. Однако фитохром B не может напрямую взаимодействовать с ДНК растения. Для этого клетки растений полагаются на семейство из восьми белков, называемых PIFs.

"Активность этих PIFs напрямую контролируется фитохромом", — пояснил ведущий автор исследования, профессор ботаники UCR Мэн Чен. Учёные выяснили, что, помимо контроля количества PIFs, накапливающихся в клетках растений, активированный светом фитохром B подавляет активность самих PIFs.

"PIFs похожи на поваров в ресторане. Вы можете регулировать их количество. Например, уволить половину — и снизить производительность ресторана", — объяснил Чен. "Альтернативно, вы можете оставить всех поваров — в нашем случае PIFs — но связать им руки. Это также замедлит их работу, как и увольнение половины. Вот о чём мы говорим".

Учёные также обнаружили ещё один ключевой компонент светового ответа растений. Белки PIF состоят из двух частей: одна связывается с генами, а другая активирует их, давая команду растению выполнять различные функции, такие как рост или цветение. В этом исследовании впервые в растительных клетках было точно определено местоположение этих активаторных областей.

Чтобы найти эту область активации, команда Чена разрезала белок на множество мелких фрагментов. Затем они проверили, способен ли какой-либо из фрагментов активировать гены, и обнаружили, что один из них способен. Для большей детализации учёные изменили аминокислоты в PIF в том месте, где, по их мнению, находилась активаторная область, и наблюдали за реакцией растения. Это позволило им точно определить местоположение области активации гена и понять её структуру.

"Этот подход позволил нам с удивлением распознать сходство между этой частью PIF у растений и белком, подавляющим опухоли, у человека", — сказал Чен. Фактически, основные механизмы активации генов в растительных, дрожжевых и животных клетках имеют поразительное сходство.

"Растения, животные и грибы (например, пекарские дрожжи) произошли от общего предка", — сказал Чен. "Генетическая информация преобразуется из ДНК в РНК, а затем в белок, и эта базовая функция сохраняется в этих активаторах генов во всех трёх царствах жизни, ещё до того, как растения, животные и грибы разошлись".

Одна из главных причин изучения этих клеточных функций — возможность управлять ими. В данном случае открытие может позволить учёным включать и выключать гены, связанные со светом и температурой, на благо растениеводов.

Часть стратегии по увеличению урожайности — выращивать больше растений на одном акре земли. В настоящее время, если посевы расположены слишком близко друг к другу, растения могут "видеть" соседей-конкурентов по их тени. Тогда растения будут тратить больше энергии на рост в высоту к свету, но не обязательно на максимальное увеличение роста листьев и производства семян.

Если же растения смогут игнорировать соседей и концентрироваться на производстве листьев и семян, а не на росте в высоту, производители смогут увеличить урожай на той же площади.

"Вам нужен не только рост стеблей, вам нужен урожай", — сказал Чен. "Для этого растениям нужна энергия, чтобы производить листья, чтобы увеличить фотосинтез — процесс создания пищи из солнечного света. Нужно, чтобы росла правильная часть растения".

Группа Чена продемонстрировала, что, снижая активность белков PIF, можно замедлить рост стеблей. Таким образом, это исследование раскрыло точный способ сделать растения более низкорослыми, чтобы семена, плоды и съедобные части растения могли расти даже в тени.

"Теперь мы знаем, как растения включают и выключают гены в ответ на изменения света и температуры", — сказал Чен. "Это первый шаг к контролю их реакции на свет и температуру и повышению их устойчивости к различным, иногда сложным условиям в меняющемся климате".