Обнаружен новый механизм восприятия света и тепла у растений

Учёные из Университета Байройта и Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе описали ранее неизвестный механизм восприятия света и тепла у растений. Результаты способствуют лучшему пониманию физиологических процессов растений. Исследование опубликовано в журнале The Plant Cell.

Растения воспринимают свет и тепло с помощью так называемых фитохромов и используют эти пигменты для запуска жизненно важных реакций, таких как рост. Изменение климата и постоянно растущие температуры могут нарушать метаболизм растений, что замедляет рост и может привести к их гибели, включая сельскохозяйственные культуры.

В этом контексте понимание молекулярной основы механизмов, контролирующих восприятие света и тепла, имеет важное значение. Результаты также могут привести к прогрессу в контроле клеточной активности с помощью света (оптогенетика), в биотехнологии и фундаментальных исследованиях.

Растения постоянно адаптируются к различным условиям окружающей среды, таким как изменение температуры и освещённости в течение дня. Эти стимулы воспринимаются на молекулярном уровне через фитохромы, которые меняют своё состояние при изменении температуры или длины волны света. Они взаимодействуют с другими белками, такими как факторы, взаимодействующие с фитохромом (PIFs), которые запускают физиологические реакции на стимулы, например, рост.

Фитохромы реагируют на красный свет: в темноте они находятся в неактивном состоянии Pr; при облучении красным светом они преобразуются в активное состояние Pfr. Это изменение состояния может быть обратимым при изменении температуры или облучении дальним красным светом с длиной волны 710–740 нм. Эта реакция иллюстрирует двойную функцию фитохромов как терморецепторов и фоторецепторов.

Ключевым компонентом термовосприятия фитохрома B резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) является выраженная температурная зависимость перехода из состояния Pfr в состояние Pr. Эта конверсия ускоряется более чем в десять раз при температурах между 4°C и 27°C. Однако степень, в которой взаимодействие между фитохромом B и различными PIFs может способствовать термовосприятию растений, ранее была неизвестна.

Исследователи изучили скорость образования и распада комплексов фитохрома B с различными PIFs при красном и дальнем красном свете и при разных температурах. Распад комплексов ускорялся во много раз в диапазоне от 15°C до 30°C, в то время как это не относилось к их образованию.

При исследовании взаимодействия между фитохромом и PIF под красным светом учёные обнаружили неожиданный эффект: при сильном непрерывном освещении степень образования комплекса уменьшалась с увеличением интенсивности красного света, вместо ожидаемого увеличения. Причиной этого является быстрая, управляемая красным светом и двунаправленная конверсия между состояниями Pr и Pfr.

"Растительные фитохромы могут, таким образом, преобразовывать различные интенсивности красного света и температуры в физиологические реакции с помощью дополнительного, ранее неизвестного и потому неисследованного молекулярного механизма", — говорит Чэнвэй И, первый автор исследования.

Результаты позволяют добиться прогресса в использовании растительных фитохромов в биотехнологии, например, для точного контроля активации генов для производства белков. Они также влияют на понимание восприятия и интеграции световых и температурных сигналов у растений.