Освещая "командную систему" растительных гормонов

Свет — это не только источник энергии для растений, но и сигнал, который управляет их ростом. Понимание чувствительности растений к свету и температуре может помочь повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Две новые статьи лаборатории Чжиюна Вана из Института Карнеги выявили ключевые аспекты гормональных реакций растений на изменения света и тепла. Работа опубликована онлайн 22 июля в журнале Nature Cell Biology.

Для оптимального поглощения света растения по-разному растут в зависимости от условий освещения. Например, проросток под землёй быстро удлиняет стебель, чтобы достичь поверхности, а растение в тени соседа также вытягивается, чтобы конкурировать за свет. При этом рост и развитие регулируются внутренними химическими сигналами — гормонами. Как растения координируют реакции на свет и гормоны — ключевой вопрос для науки и урожайности.

Переход от этиолированного развития (тонкий стебель, жёлтые сложенные листья) к де-этиолированному (короткий стебель, зелёные развёрнутые листья) под действием света изучается давно. 15 лет назад в этих исследованиях был открыт стероидный гормон брассиностероид, который регулирует многие аспекты роста и развития растений.

Мутантные растения с дефицитом брассиностероида, выращенные в темноте, проявляют черты растений, выращенных на свету. Они также имеют дефекты на многих этапах жизненного цикла, включая сниженную всхожесть семян, карликовость и стерильность.

Физиологические эффекты брассиностероидов очень похожи на эффекты другого гормона — гиббереллина, но их молекулярная взаимосвязь была неясна. В двух статьях в Nature Cell Biology команда Вана определила ключевые точки пересечения молекулярного пути передачи сигнала брассиностероида с путями для сигналов света, температуры и гиббереллина.

Исследование показало, что свет не влияет на уровень брассиностероида. Вместо этого брассиностероид сильно влияет на чувствительность растений к свету, изменяя уровни белков, опосредующих световые реакции, и предоставляя важного партнёра для транскрипционного фактора PIF4, который напрямую инактивируется фоторецептором фитохромом. Активированный брассиностероидом белок BZR1 и стабилизированный в темноте белок PIF4 образуют комплекс, который запускает экспрессию генов, необходимых для процесса этиоляции.

Напротив, световая деградация PIF4 или отсутствие BZR1 из-за дефицита брассиностероида приводит к де-этиоляции и подавлению удлинения клеток. Исследование также показывает, что ростовая реакция на высокую температуру, как известно, опосредованная PIF4, также требует образования комплекса BZR1-PIF4. Таким образом, выявлена новая функция брассиностероида в "открытии ворот" для реакций на свет и температуру, вероятно, в зависимости от внутренних физиологических условий.

Брассиностероид и гиббереллин — два основных гормона, стимулирующих рост. Команда Вана показала, что эффекты гиббереллина на удлинение клеток зависят от присутствия брассиностероида и активного белка BZR1 в ядре. Это происходит потому, что гиббереллин удаляет класс ингибиторных белков DELLA, которые инактивируют BZR1, тем самым позволяя BZR1 более эффективно регулировать экспрессию генов. Без брассиностероида и BZR1 гиббереллин почти не влияет на рост клеток.

Исследование указывает, что брассиностероид предоставляет важный фактор, необходимый для роста клеток путём удлинения, тогда как гиббереллин обеспечивает дополнительный количественный контроль активности этого фактора. Поскольку известно, что на гиббереллин влияют условия среды (свет, стрессы), а уровень брассиностероида сильно варьирует в разных органах, взаимодействия между PIF4, DELLA и BZR1 формируют "командную систему", которая эффективно интегрирует информацию об условиях среды, внутреннем состоянии и программе развития в "решение" о росте.

"Эта командная система не только принимает различные входные данные, но и отправляет ответвления выходных сигналов, потому что каждый компонент действует взаимозависимо на общие мишени, но также независимо на уникальные наборы генов-мишеней", — сказал Ван. — "Эта сложная сеть содержит множество уровней и контролирует основные процессы роста и развития растений. Мы считаем, что эта сеть станет главной мишенью для создания высокоурожайных культур".