Летняя спячка: как семена впадают в покой, чтобы пережить суровые условия
Растения выработали стратегии адаптации, одна из которых — семенной покой. Это состояние временно предотвращает прорастание жизнеспособных семян даже в оптимальных условиях, если последующее развитие проростка сопряжено с высоким риском.
В средиземноморском климате Кипра лето чрезвычайно суровое: высокие температуры и засуха. Местный подвид растения Aethionema arabicum адаптировался, чтобы семена не прорастали перед жаркими летними месяцами или во время них. Молекулярную основу этой адаптации описала в исследовании в Current Biology Жужанна Мераи, постдок из группы Лиама Долана в GMI.
Пусть будет свет: длинный день вызывает вторичный покой семян
Ранее команда под руководством Мераи показала, что прямое воздействие света может ингибировать прорастание семян Aethionema arabicum. В новом исследовании они изучили, может ли свет вызывать долгосрочное подавление прорастания, известное как вторичный покой.
Оказалось, что вторичный покой зависит от продолжительности светового дня. "Этот механизм логичен: длина дня — гораздо более стабильный показатель, чем температура или влажность", — объясняет Мераи. Дни становятся длиннее летом, и семена дольше находятся на свету.
"Семена Aethionema используют эту информацию, чтобы запрограммировать прорастание на раннюю весну, когда условия идеальны. Когда дни становятся слишком длинными, это сигнал о приближении лета, и семенам не следует прорастать", — говорит Мераи.
Исследователи обнаружили, что воздействие света по 16 часов в день приводит к долгосрочному подавлению прорастания, которое сохраняется даже в темноте. "Даже если мы поместим семена обратно в темноту, они не прорастут, потому что запомнят, что условия были неподходящими", — резюмирует Мераи.
Ключевая роль белка RGL2 в светоиндуцированном покое
Хотя вторичный покой был известным явлением, его молекулярный механизм индукции не был описан. Скрининг библиотеки мутантных семян, у которых не устанавливался вторичный покой, выявил белок RGL2 как главный регулятор этого процесса.
"Семена с мутациями в гене RGL2 всё ещё ингибируются светом, но только краткосрочно. Без RGL2 индукция вторичного покоя не происходит", — объясняет Мераи. Учёные также изучили, какие пути регулирует RGL2, и идентифицировали 3300 генов, ассоциированных с вторичным покоем.
Гормональный баланс
Известно, что покой — результат взаимодействия гормона, способствующего покою, — абсцизовой кислоты (ABA), и гормона, подавляющего покой, — гиббереллина (GA). Исследователи подтвердили, что RGL2 подавляет продукцию GA и увеличивает биосинтез ABA в семенах на свету.
Однако ключевое открытие состояло в том, что для индукции вторичного покоя важен только один из гормонов. "Мы обнаружили, что искусственное снижение уровня GA вызывает семенной покой, а повышение уровня ABA — нет", — объясняет Мераи.
Из лаборатории в поле: использование адаптации для устойчивости сельхозкультур
Эти результаты показывают, как растения адаптируют прорастание, чтобы избежать суровых летних условий. Это противоположно каноническим моделям, в которых свет стимулирует прорастание. "Некоторые растения, похоже, изменили прорастание, чтобы адаптироваться к конкретному климату", — отмечает Мераи.
Интересно, что команда показала, что летняя жара и засуха — ключевые факторы для выхода семян из состояния покоя. "Моделирование лета путём обезвоживания семян при температуре выше 40 °C снимает покой, так что семена могут прорасти, когда условия снова станут благоприятными", — объясняет Мераи.
Исследователи намерены изучить, используют ли другие растения похожие системы адаптации. Если да, это открытие может иметь важное значение для посева сельскохозяйственных культур и открыть путь к инженерии адаптации прорастания у других видов. "Наши результаты можно применить для создания новых культур, лучше адаптированных к тёплому климату и постоянно растущим температурам", — добавляет Мераи.