Как растения адаптируются к меняющимся условиям окружающей среды всего за пять минут

Учёные и садоводы давно знают, что растения вырастают выше и цветут раньше, когда их затеняют близко растущие соседи. Теперь исследователи из Института Солка впервые продемонстрировали подробно внутреннюю работу этого процесса.

Исследование, опубликованное 17 июня 2021 года в журнале Nature Genetics, предлагает новое понимание того, как активность генов направляет рост растений и как быстро растения реагируют на окружающую среду – при изменении условий освещения, вызывающих молекулярные изменения всего за пять минут. Полученные данные дают представление о том, как повысить урожайность и сохранить мировое производство продовольствия, поскольку изменение климата приводит к сокращению пахотных земель на планете.

"В этой публикации с высокой степенью детализации показано, как растения реагируют на небольшие изменения окружающей среды на клеточном уровне. Работа, показывающая, как растения могут адаптироваться к большим экологическим стрессам, будет иметь решающее значение по мере усиления последствий изменения климата." – говорит соведущий корреспондент Джоан Чори, директор лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и заведующий кафедрой биологии растений Говарда Х. и Марьям Р. Ньюман.

Растения в тени растут всё быстрее и выше, пытаясь пробиться сквозь полог и получить больше света. В то же время в затенённых условиях произрастания заставляют их цвести и производить семена раньше обычного, чем обычно, чтобы выдержать конкуренцию с другими растениями. Эти меры могут быть полезны для полевых цветов, растущих на лугу, но на фермах они могут снизить урожайность и привести к получению горьких, некачественных культур – как знает любой садовник, у которого есть листья салата.

В новом исследовании была изучена роль определённых факторов транскрипции в активации этой реакции в виде роста. Факторы транскрипции – это белки, которые включают или выключают гены, связываясь с ДНК.

Ядра клеток растений видны до и после того, как растение было подвергнуто затенению. На верхних изображениях (до) фактор транскрипции PIF7 (красный) ограничен пятнами, которые содержат световые сенсоры растений (зелёные). На нижних изображениях (после) в затенённом растении высвобождается PIF7, который затем может свободно связываться с ДНК и инициировать активность гена.

Фото предоставлено: Чан Юл Ю, лаборатория Мэн Чена, Калифорнийский университет в Риверсайде.

Команда работала с мутантными проростками, лишёнными факторов транскрипции, называемых PIF (фитохром-взаимодействующие факторы/phytochrome-interacting factors). Когда они выращивали эти растения в среде, c имитацией тени, растения без определённых PIF-оф не росли в длину и не ускоряли свой рост, а вместо этого продолжали нормально расти, как если бы они были под полным солнечным освещением. Ранее лаборатория Chory показала, что PIF7 играет наиболее важную роль в регулировании роста, вызванного затенением.

Затем исследователи более внимательно изучили роль гистонов в этом процессе, в частности гистонового варианта H2A.Z. Гистоны – это белки, которые действуют как катушки для нитей ДНК. Когда гистоны замещаются или модифицируются, они могут активировать или подавлять определённые гены.

Учёные обнаружили, что тень от полога привела к удалению гистона H2A.Z в генах, регулирующих рост, через связывание ДНК с PIF7, что, в свою очередь, активировало их экспрессию.

Используя очень короткие интервалы времени для своих экспериментов, исследователи обнаружили, что PIF7 активируется, связывается со своими генами-мишенями и инициирует удаление H2A.Z, и всё это в течение первых 5 минут после того, как растение находится в тени.

"Наше исследование описывает ещё один шаг к механистическому пониманию того, как растения изменяют экспрессию своих генов в ответ на изменение окружающей среды," – говорит соведущий корреспондент Джозеф Эккер, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и профессор лаборатории геномного анализа Солка.

Предыдущие исследования определили, что PIF и H2A.Z играют важную роль в реакции растений на воздействие высоких температур; однако длительность событий не была известна, отмечает соавтор Бьорн Виллидж, исследовательский специалист Медицинского института Говарда Хьюза в лаборатории Chory.

"Наше исследование подробно раскрывает механизм, а также показывает быстрый характер реакции. Мы обнаружили, что, когда PIF7 активен, он связывается с ДНК. И наши данные показывают, что это приводит к удалению H2A.Z из ДНК. Впоследствии гены активируются, и это вызывает рост, чтобы обойти соседние растения," – говорит Виллидж.

Скорость процесса была неожиданной, говорит соавтор Марк Зандер, доцент Института микробиологии Ваксмана при Университете Рутгерса. Он отметил, что в дополнение к запуску стрессовой реакции в течение пяти минут положение гистонов также быстро восстанавливается после удаления тени.

"Когда мы удалили тень, уровни H2A.Z в генах-мишенях PIF7 вернулись к норме в течение 30 минут," – говорит он. "Я был удивлен тем, насколько динамичен этот процесс."

PIFиграют важную роль в росте, развитии и защите растений от вредителей. Поэтому команда надеется, что их выводы можно будет применить к другим реакциям растений, которые важны для фермеров, особенно в том, что касается повышения устойчивости растений к изменению климата. Инициатива Института Солка по использованию растений направлена на решение проблемы изменения климата за счёт оптимизации естественной способности растений улавливать и накапливать углерод.

Другими авторами исследования были Чан Юл Ю из Университета штата Оклахома; Эми Фан, Рене М. Гарза, Шелли А. Тригг, Юпенг Хе, Джозеф Нери и Хуамин Чен из Солка; и Мэн Чен из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Министерством энергетики США, Фондом Гордона и Бетти Мур, Национальными институтами здравоохранения, Медицинским институтом Говарда Хьюза, Европейской организацией молекулярной биологии, Программой гуманитарных исследований и Deutsche Forschungsgemeinschaft.

DOI: 10.1038 / s41588-021-00882-3

источник https://www.salk.edu/news-release/how-plants-quickly-adapt-to-shifting-environmental-conditions/

редактура и адаптация Дмитрий Бобров